Transcript La dégradation du glucose

Catabolisme des molécules organiques
lipides
acides gras
glucides
glucose
pyruvate
acétyl-CoA
C6
cycle
de
Krebs
C5
C4
protéines
acides aminés
copyright:Fernand-Alexandre Schroeder LGE - Luxembourg
La dégradation du glucose: la glycolyse
glucose
glucose-6-P
ATP
fructose-6-P
ADP
fructose-1;6-diP
ATP
ADP
Bilan de cette étape:
consommation de 2 molécules d’ATP: (-2ATP)
copyright:Fernand-Alexandre Schroeder LGE - Luxembourg
La dégradation du glucose: structure de l’ATP
adénine
NH2
OH
6
phosphates
N
5
N
1
8
OH
O P
7
N
OH
2
4
9
NH2
N3
O
O P
6
OH
N
5
N
1
8
O
O P
7
N
OH
2
4
9
N3
O
O P O
OH
C H2
O P O
OH
5
O
C H
H
3C
C
H
4
C H2
O
C
H
4
1
H
C
5
H
2
C
3
OH OH
H
C
C
1
H
2
OH OH
ribose
ADP
+ Pi
OH
O P
OH
OH
ATP
EAU +
H 2O
copyright:Fernand-Alexandre Schroeder LGE - Luxembourg
La dégradation du glucose: structure du NADH + H+
NAD
+
+
NAD H+H
forme oxydée
forme réduite
hydrog ène
supplémentaire
4
3
5
azote qua ternaire
d'où l'écriture
+
NAD
OH
O P
H
C ONH 2
H
4
6
N
5
2
1
+
3
6
C ONH 2
2
1
nicotinamide
N
ribose
O 5C H2
H+
2e hydrogè ne
sous forme de
proton
O
C H
H
3C
C
H
4
1
C
sub stra t
oxy dé
substrat
réduit
H
2
O H OH
NH2
O phosphates
6
N
7
5
N1
8
N9
2
4
adénine
O P O
OH
ribose
H2
C
5
C H
H
3C
4
4
N3
3
5
6
1
CO OH
2
N
O
H
4
C
2
O H OH
C
1
H
acide nicotinique
3
5
6
1
CONH 2
2
N
nicotinamide
(niacine ou vitamine B3
anciennement vitamine PP)
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La dégradation du glucose: la glycolyse - suite
fructose1;6-diP
phosphoglycéraldéhyde
Pi
NAD+
diphosphoglycérate
NADH+H+
phosphoglycérate
ADP ATP
pyruvate
H2O
ADP ATP
Bilan de cette étape:
production de 4 molécules d’ATP: (+ 4ATP)
production de 2 molécules de NADH+H+: ( + 2NADH2)
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La dégradation du glucose: la glycolyse – bilan provisoire
glucose
pyruvate
Bilan de la glycolyse:
consommation de 2 molécules d’ATP:
production de 4 molécules d’ATP:
production de 2 molécules de NADH+H+:
- 2 ATP
+ 4 ATP
+ 2 NADH2
production de 2 molécules d’ATP:
production de 2 molécules de NADH+H+:
2 ATP
2 NADH2
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La dégradation du glucose: décarboxylation ou oxydation du pyruvate
pyruvate
HS-CoA
NAD+
CO2
acétyl-CoA
NADH+H+
Bilan de l’oxydation du pyruvate:
production de 2 molécules de NADH+H+:
+ 2 NADH2
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La dégradation du glucose: structure de la coenzyme A
SH
SH
C H2
b-mercaptoéthylamine
C H2
NH
C O
CH2
CH2
acide pantothénique
(=vitamine B5)
NH
C O
CHOH
CH3 C
CH3
NH2
CH2
N
O
O P
CoA
6
7
5
N1
8
N
OH
9
adénine
2
4
N3
notation: CoA-SH
ou HS-CoA
O
O P
OH
O
5
CH2
O
C H
H
3C
H
4
C
H
2
O
OH
O P
OH
OH
C
1
ribose 3-phosphate
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La dégradation du
glucose:
acétyl-CoA
HS-CoA
cycle de Krebs
NADH+H+
NAD+
citrate
malate
H2O
H2O
oxalate
isocitrate
H2O
H2O
a-cétoglutarate
fumarate
NAD+
NADH+H+
HS-CoA
H2O succinylCoA
FADH2
CO2
FAD
NAD+
succinate
HS-CoA ATP
NADH+H+
ADP
+ Pi
CO2
Bilan de cette
étape:
+ 6 NADH2
+ 2 FADH2
+ 2 ATP
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La dégradation du glucose: structure du FAD/ H2
forme oxydée: FAD
Forme réduite: FADH2
riboflavine ( vitamine B2)
H
O
NH
CH3
CH3
CH3
CH2
H
C OH
H
C OH
H
C OH
adénine
N7
O
N
N
R
H
O
2e hyd rogène
NH 2
6
5
N
1
8
N9
OH
O P O
OH
2
4
N3
ribose
O
phosphates
su bstr at
ox ydé
s ubs trat
r édu it
C OH
NH
C H3
O
N
N
O P
O
N
N
H
hydrogène
suppléme ntaire
C H2
5
4C
H
H
3C
O
H
C
C
1
H
2
OH OH
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La dégradation du glucose: localisation des voies
métaboliques
glucides
cytosol
ATP
glucose
ATP
pyruvate
= phosporylation liée au substrat
Le complexe enzymatique (la pyruvate
déshydrogénase) responsable de
l’oxydation du pyruvate est logé dans la
membrane mitochondriale.
pyruvate
C6
acétyl-CoA
mitochondrie
cycle
de
Krebs
C5
C4
ATP
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La dégradation du glucose: ultrastructure de la mitochondrie
membrane
externe
membrane
interne
matrice
espace
intermembranaire
crête
mitochondriale
complexes
ATP-synthétase
mitoribosome
ADN mitochondrial
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La dégradation du glucose: ultrastructure de la mitochondrie
5
5
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La dégradation du glucose: phospophorylation 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.
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La dégradation du glucose: exemples de phospophorylations liées au substrat
diphosphoglycérate
phosphoglycérate
pyruvate
H2O
lors de la
glycolyse
ADP ATP
ADP
+ Pi
ADP ATP
ATP
HS-CoA
lors du cycle
de Krebs
succinylCoA
succinate
H2O
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La dégradation du glucose: bilan provisoire pour la dégradation
d’une molécule de glucose
GLYCOLYSE
OXYDATION DU
PYRUVATE
CYCLE
DE
KREBS
Bilan de la glycolyse:
production de 2 molécules de NADH+H+:
production de 2 molécules d’ATP:
+ 2 NADH2
+ 2 ATP
Bilan de l’oxydation du pyruvate:
production de 2 molécules de NADH+H+:
+ 2 NADH2
Bilan du cycle de Krebs:
production de 6 molécules de NADH+H+:
production de 2 molécules des FADH2;
production de 2 molécules d’ATP:
+ 6 NADH2
+ 2 FADH2
+ 2 ATP
Bilan provisoire: glucose  6CO2
production de 10 molécules de NADH+H+:
production de 2 molécules des FADH2;
production de 4 molécules d’ATP:
10 NADH2
2 FADH2
4 ATP
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Chaîne respiratoire ou système de transporteurs d’électrons
protéine
contenant
du Fe-S
déshydrogénase
flavoprotéique
(=flavoprotéine)
coenzyme Q
cytochromes
matrice
chaîne de transport des électrons
espace
intermembranaire
ATP synthétase
mitochondrie
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Chaîne respiratoire: principales oxydo-réductions et sites de
couplage
2H+
NADH+H+
NAD+
FADH2 FAD2H+
H+
½ O2
H+
2H+
2H+
2e-
2H+
H+
2e-
½ O22-
H2
O
H+
2e-
2H+
H+
2e-
2e- 2e-
H+
2e- 2e- 2e
H+
H+
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.
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Chaîne respiratoire: phosphorylation de l’ADP
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
ATP-synthétase
H+
ADP + Pi
H+
ATP
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.
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Chaîne respiratoire: prinicipe de l’oxydo-réduction
H2
O
2H+
ATP
substrat
substrat
oxydée
NAD+
FP
2 b (Fe2+)
2 c (Fe3+)
CoQ-H2
2 b (Fe3+)
2 c (Fe2+)
ADP+ Pi
Site I
ADP+ Pi
CoQ
FP-H2
NADH+H+
ADP+ Pi
2 a (Fe3+)
ATP
2 a3 (Fe2+)
½ O22-
½ O2
ATP
Site II
FADH2
2 a3 (Fe3+)
2 a (Fe2+)
Site III
FAD
DONC:
Chaque molécule de NADH+ + H+ donne 3 molécules d’ATP
Chaque molécule de FADH2 donne 2 molécules d’ATP
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La dégradation du glucose: localisation complète des voies
métaboliques
glucides
cytosol
glucose
ATP
pyruvate
ATP
= phosporylation liée au substrat
ATP
= phosporylation oxydative
C6
ATP
acétyl-CoA
mitochondrie
cycle
de
Krebs
C5
C4
ATP
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La dégradation du glucose: les 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
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La dégradation du glucose: la navette malate/aspartate
NADH+H+
NAD+
malate déshydrogénase
cytosolique et mitochondriale
oxalate
malate
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La dégradation du glucose: la navette malate/aspartate
NADH+H+
oxalate
NAD+
malate
malate
NAD+
mitochondrie
NADH+H+
Bilan:
1 molécule de NADH+H+ cytosolique donne
1 molécule de NADH+H+ mitochondriale.
oxalate
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La dégradation du glucose: la navette glycérol phosphate
NADH+H+
C H2 O
C
NAD+
P
O
C
glycérophosphate déshydrogénase
cytosolique
HO
O
phosphodihydroxyacétone
phosphoglycérate
Le glycérol phosphate peut traverser la
membrane mitochondriale externe.
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La dégradation du glucose: la navette glycérol phosphate
CoQ
CoQH2
C H2 O
C
P
O
C
O
phosphoglycérate
HO
glycérophosphate déshydrogénase
mitochondriale
phosphodihydroxyacétone
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.
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La dégradation du glucose: la navette malate/aspartate
2H+ + 2é
C H2 O
C
P
O
C
HO
O
phosphoglycérate
phosphodihydroxyacétone
mitochondrie
Bilan:
1 molécule de NADH+H+ cytosolique donne
1 molécule de FADH2 mitochondriale.
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La dégradation du glucose en aérobiose: bilan énergétique définitif
Bilan provisoire: glucose  6CO2
production de 10 molécules de NADH+H+:
production de 2 molécules des FADH2;
production de 4 molécules d’ATP:
10 NADH2
2 FADH2
4 ATP
Chaque molécule de NADH+ + H+ donne 3 molécules d’ATP
Chaque molécule de FADH2 donne 2 molécules d’ATP
Donc: glucose  CO2
équivalent de 10 molécules de NADH+H+:
équivalent de 2 molécules des FADH2;
production de 4 molécules d’ATP:
30 ATP
4 ATP
4 ATP
production totale d’ATP
38 ATP
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP
Remarque: Selon la navette utilisée une molécule de
glucose va générer 36 ou 38 molécules d’ATP!
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Respiration anaérobie: fermentation lactique
glucose
pyruvate
2ADP + 2Pi
2NAD+
mode de respiration en cas
d’absence d’oxygène p.ex.
dans les muscles des
Mammifères après
exercice physique prolongé
lactate
2ATP
2NADH2
2NADH2
2NAD+
conséquences: suite
au faible rendement
énergétique, le
substrat est vite
consommé, le pH du
milieu décroît en plus
le lactate est toxique !
Bilan de la glycolyse en anaérobiose (fermentation lactique):
production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose
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Respiration anaérobie: fermentation alcoolique
glucose
pyruvate
2ADP + 2Pi
2NAD+
conséquence: le taux
d’alcool du milieu
augmente; l’éthanol
est toxique !
acétaldéhyde
éthanol
2ATP
2NADH2
2CO2
2NADH2 2NAD+
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.
Bilan de la glycolyse en anaérobiose (fermentation alcoolique):
production de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose
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Dégradation du glucose: bilans énergétiques et rendements
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + 38 ATP
énergie libre d’une mole de glucose: DG = -686 kcal/mol
énergie libre d’une mole d’ATP:
DG = -7,3 kcal/mol
énergie libre de 38 moles d’ATP:
DG = -7,3 * 38 = -277,4 kcal
rendement 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%)
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Utilisation 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)
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Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire
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).
NH
H
O
HO
C
C
H
N
CH3
C
N
H
O
P OH
OH
créatine phosphate
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Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire
1. phosophocréatine ( < 15 secondes)
NH
H
O
C
HO
C
H
N
C
N
H
CH3
O
P OH
créatine kinase
C
C
HO
N
7
5
OH
N
OH
9
O
NH 2
O P
6
OH
N
2
O P
7
5
N
1
8
O
N3
H
CH3
OH
1
4
N
H
créatine
N
8
C
N
H
NH2
6
O P
O
OH
créatine phosphate
NH
H
N
OH
2
4
9
N3
O
O P O
OH
C H2
5
4C
H
H
3C
O
H 1C
H
2C
O P O
OH
C H2
5
C H
H
3C
H
C
C
1
H
2
OH OH
OH OH
ADP
O
4
ATP
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Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire
2. 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.
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Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire
2. glycogénolyse avec respiration
anaérobie ( < 1 minute)
glycogène (>100 000 a-glucose)
glucose-6-P
pyruvate
lactate
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Utilisation de l’ATP dans la contraction musculaire
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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