Le métabolisme glucidique - publié le 24/03/2019

Thèmes abordés

Sciences biomédicales, métabolisme glucidique, aspects physico-chimiques, liaisons chimiques du vivant, glycolyses, anabolisme des sucres, métabolisme du glycogène, métabolisme de l'amidon, cycle de Krebs, oxydation phosphorylante

Résumé du document

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans un organisme. Cet ensemble a une organisation précise, les réactions se déroulent dans un ordre précis. Le monde vivant est un système hors équilibre et thermodynamiquement ouvert. Les réactions du métabolisme sont des réactions catalysées par des enzymes.

Extraits

[...] Métabolisme glucidique I)Généralités A)Définitions du métabolisme Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans un organisme Cet ensemble a une organisation précise, les réactions se déroulent dans un ordre précis Le monde vivant est un système hors équilibre et thermodynamiquement ouvert Les réactions du métabolisme sont des réactions catalysées par des enzymes L'étude du métabolisme consiste à déterminer : -Les types de réactions impliquées -Le mode de fonctionnement de ces réactions -L'organisation de l'ensemble de ces réactions On considère que ces réactions sont organisées en voies métaboliques Une voie métabolique est une série de réactions que l'on va retrouver plus ou moins à l'identique dans un grand nombre de systèmes biologiques B)Organisation générale du métabolisme C)Voies cataboliques ou voies de dégradations Catabolisme = Ensemble de réactions enzymatiques de dégradations de macromolécules La dégradation est dite complète si on a une formation de CO2 Les réactions de dégradations sont des réactions d'oxydations R-CHO → CO2 + H2O Cette dégradation s'accompagne d'une récupération d'énergie: Le contenu énergétique des liaisons cassées est récupéré sous forme utilisable par la cellule, sur des molécules contenant des groupements phosphoryles Ces molécules ont un très haut potentiel de transfert d'énergie D)Voies anaboliques/voies de synthèse Anabolisme = Ensemble de réactions permettant la synthèse des molécules, ce mécanisme requiert de l'énergie (ATP provenant du catabolisme) Les voies anaboliques vont conduire à la formation de petits molécules acide gras, nucléotides ) puis aux macromolécules (protéines, acide nucléiques ) puis aux systèmes plus élaborés (membranes, parois . [...]

[...] ) = Kinases Nom de l'enzyme : Glucose + Kinase → Glucokinase Glucose + Hexokinae → Hexokinase La glucokinase n'est présent que dans le foie, l'exokinase est présente dans les autres cellules vivantes L'hexokinase accepte aussi d'autres sucres comme substrat (fructose, maltose) Isomérisation du glucose-6-phosphate Nom enzyme : Réaction d'isomérisation = Isomérase Substrat : Glucose-6-phosphate = Glucose-6-phosphate isomérase Réaction d'isomérisation réversible Phosphorylation du fructose-6-phosphate Nom enzyme : ATP → Kinase + Substrat = Fructose-6-phosphate kinase Cette réaction d'activation est réversible Mécanisme idem à celui de l'hexokinase L'enzyme est inhibée par le citrate et l'ATP, activée par l'ADP, l'AMP et le fructose-2,6-bisphosphate Rupture du squelette carboné Nom de l'enzyme : On considère la réaction inverse = Réaction de condensation entre alcool et une fonction aldéhyde : Réaction d'aldolisation (formation d'une liaison aldole) Ajout du nom du substrat : Fructose-1,6-Bisphosphate aldolase Réaction réversible Isomérisation des trioses phosphates Nom enzyme : Réaction isomérisation = Isomérase Substrat = DHAP et GAP = Triose phosphates Enzyme = Triose phosphate isomérase Réaction réversible Cette réaction clos la phase d'activation : Le glucose a été déstabilisé Au niveau moléculaire on a eu : Prise en charge d'un groupement phosphate Isomérisation Prise en charge d'un 2eme phosphate Rupture de la molécule Bilan : 1 glucose + 2 ATP → 2 Trioses phosphates + 2 ADP 2)Phase de récupération Cette phase va permettre de récupérer de l'énergie Dans la suite des réactions, il n'y a que le glycéraldéhyde-3-phosphate qui est métabolisé Le dihydroxyacétone phosphate n'est repris dans cette voie glycolytique qu'après avoir été transformé en glycéraldéhyde-3-phosphate Oxydation du glycéraldéhyde-3-phosphate Enzyme : Nécessite un cofacteur : Ici coenzyme d'oxydoréduction : NAD+ : Nicotinamide Adénine Dinucléotide Définition des cofacteurs : Ensemble de molécules qui interviennent dans la réaction, mais qui ne sont ni substrat, ni le produit, ni l'enzyme Nom de l'enzyme : Enzyme + coenzyme d'oxydoréduction = Déshydrogénase + substrat = Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase Les autres cofacteurs sont : NADP = Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate FAD = Flavine Adénine Dinucléotide Ils existent sous 2 formes : Oxydée et réduite Forme oxydée Forme réduite NAD+ + 2H+ + 2e- → NADH,H+ NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH,H+ FAD+ + 2H+ + 2e- → FADH2 Réactions réversible Transfert du phosphate sur l'ADP Transfert du phosphate sur l'ADP pou former ATP → Récupération d'énergie Nom de l'enzyme : Intervention d'ATP on a une kinase, on observe donc le sens où l'ATP donne un groupement phosphate et le substrat est alors le phosphoglycérat kinase Réaction réversible Conversion en 2-Phosphoglyérate Réaction d'isomérisation, réaction réversible Déshydratation interne Nom de l'enzyme : On considère la réaction inverse : Enol + H2O → Disparition de l'énol : l'enzyme est donc une énolase On ne rajoute pas le nom du substrat car cette réaction est pratiquement unique dans le métabolisme Réaction est réversible, l'enzyme est inhibée par les fluorures Formation du Pyruvate Réaction de transfert d'un phosphate du phosphoénol pyruvate à l'ADP pour formé de l'ATP Nom de l'enzyme : On regarde dans le sens d'hydrolyse de l'ATP = Kinase Réaction irréversible, cette enzyme est inhibée par l'ATP, l'acétyl-CoA et l'alanine et elle est activée par l'AMP et le fructose-1,6-bisphosphate 3)Bilan de la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas Glucose + 2ATP + 2NAD+ + 4 ADP + 2Pi → 2 pruvate + 2 ADP + 2 NADH,H+ + 4 ATP Comme on retrouve de l'ATP et de l'ADP de chaque coté de la réaction, on peut simplifier : Glucose + 2 ADP + 2 AND+ + 2Pi → 2 pyruvate + 2 NADH,H+ + 2 ATP Soit 2 ATP formés Rendement : (nbr d'ATP formés) / (nbr d'ATP utilisés) = 4 / 2 = 2 ATP B)La voie des pentoses phosphates Voie secondaire d'utilisation du glucose présent dans tous les règnes Pour : -Production de NADPH (réducteur cellulaire utilisé dans la synthèse d'acide gras et de cholestérol) -Synthèse du ribose 5-phosphate utilisé dans la biosynthèse des nucléotides Elle est divisée en 2 parties : Un tronçon oxydatif et un tronçon non oxydatif 1)Le tronçon oxydatif Phosphorylation du glucose Idem que pour la voie d'Embdem-Meyerhof-Parnas Conversion du glucose-6-phosphate en 6-phosphogluconolactone Déshydratation sur la fonction hémiacétal, le NADP+ va prendre en charge les 2 protons libérés par la lactonisation Cette réaction = Étape limitante pour l'ensemble de la voie des pentoses- phosphates L'enzyme est inhibée de façon allostérique par le NADPH, donc production de NADPH par la voie des pentoses-phosphates et soumise à un auto-contrôle Conversion du 6-phosphogluconolactone en 6-phosphoglucate Nom de l'enzyme : Hydrolyse d'une lactone sur une gluconate = Gluconolactonase Décarboxylation du 6-phosphogluconate Cette réaction clos le tronçon oxydant de la voie des pentoses-phosphates Bilan du tronçon oxydant = Glucose-6-phosphate + 2NADP+ + H2O → Ribulose-5- phosphate + 2NADPH,H + CO2 Voie des pentoses phosphates = Principale voie de formation de NADPH,H+ B)Le tronçon non oxydatif Ce tronçon va fournir : - Les sucres à 5 carbones destinés à différentes biosynthèses - Des sucres phosphates de la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas et de la néoglucogénèse (voie de biosynthèse des sucres) Isomérisation et épimérisation du ribulose 5-phosphate La ribulose-5-phosphate peut subir 2 types de réactions : - Une isomérisation : Passage d'un cétose à un aldose catalysée par une isomérase : La ribulose-5- phosphate isomérase - Une épimérisation : Inversement du sens du -OH sur le carbone 3 catalysé par une épimérase : La ribulose-5-phosphate-3-épimérase La ribose entrera dans : Des nucléotides et polynuléotides La formation des intermédiaires de la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas Transfert de Radicaux carbonés 2eme transfert de radical carbone Nom de l'enzyme : Transaldolase 3eme transfert de radical carbone Réaction de transfert d'un radical cétol catalysé par une transcétolase Glucose-6-phosphate + 2NADP+ → Glycéraldéhyde- 3-phosphate + 2 fructose-6-phosphate + CO2 + 2NADPH,H+ + C2O D)Combinaison des voies EMP et PP Métabolisation du glucose-6-phosphate dans la cellule : Le glucose-6-phosphate peut être un substrat de la voie d'Embden-Meyerhof- Parnas ou de la voie des pentoses-phosphates Le choix entre ces 2 métabolisme dépend des besoins de la cellule : - Si la cellule a besoin d'ATP : C'est la voie d'Embden-Meyerhof- Parnas qui est mise en œuvre - Si la cellule a besoin de NADPH,H+ ou de ribose-5-phosphate : C'est la voie des pentoses Phosphates qui est mise en œuvre Une combinaison des deux voies peut également être nécessaire en fonction des métabolites demandés par la cellule → Si la cellule a besoin, à la fois de ribose-5-phosphate et de NADPH,H+ mais pas d'ATP C'est le début de la voie des pentoses-phosphates seule qui est utilisée Bilan : 1 glucose-6-phosphate + 2 NADP+ → 1 ribose-5-phosphate + 2 NADPH,H+ → Si la cellule a besoin de NADPH,H+ uniquement Voie des pentoses-phosphates utilisée puis synthèse via la néoglucogénèse pour refaire du glucose-6-phosphate et ainsi pouvoir reproduire du NADPH,H+ Bilan : 6 glucose-6-phosphate + 12 ANADP+ → 5 glucose-6-phosphate + 6 CO2 + 12 NADPH,H+ → Si la cellule a besoin de ribose-5-phosphate uniquement Utilisation : - Du fructose-6-phosphate et du glycéraldéhyde-3-phosphate produit par la voie d'Embden- Meyerhof-Parnas - Puis fonctionnement de la transcétolase et la transaldolase en sens inverse pour obtenir du ribose-5-phosphate : Bilan : 5 glucose-6-phosphate + ATP → 6 ribose-5-Phosphate + ADP → Si la cellule a besoin d'énergie Voie des pentoses-phosphate puis le glycéraldéhyde-3-phosphate et le fructose-6-phosphate sont introduits dans la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas pour produire de l'ATP et du pyruvate Ensuite le pyruvate entre dans le cycle de Krebs et celui de la chaîne respiratoire pour production 15 molécules d'ATP par molécule de pyruvate Bilan : 3 glucose-6-phosphate + 5 NAD+ + 6NADP+ + 8 ADP + 5Pi → 5 pyruvate + 3 CO2 + 5 NADH + 6 NADPH + 8 ATP C)La voie d'Entner-Doudoroff Cette voie est présente chez les microorganismes C'est une autre voie de dégradation du glucose qui va aboutir à la formation de pyruvate et de glycéraldéhyde-3-phosphate Phosphorylation du glucose Conversion du glucose-6-phosphate en 6-phosphoglucolactone Conversion de la 6-phosphoglucolactone en 6-phosphogluconate Réaction d'hydrolyse de la lactone avec ouverture du cycle Formation du 6-phosphogluconate à partir du gluconate La 6-phosphogluconate peut également être synthétisé par phosphorylation du gluconate par phosphorylation du gluconate par une kinase avec intervention d'ATP Conversion du 6-phosphogluconate en 2-oxo-3-désoxy-6-phosphogluconate Rupture du squelette carboné Bilan de la voie d'Entner-Doudoroff : Bilan : Glucose + NADPH,H+ + ATP → Pyruvate + glycéraldéhyde-3-phosphate + NADPH,H+ + ADP Le pyruvate et le glycéraldéhyde-3-phosphate peuvent ensuite être utilisés dans une autre voie Chez certains microorganismes la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas est inexistante et c'est la voie d'Entner-Doudoroff qui est la voie de dégradation du glucose Anabolisme des sucres Processus biosynthétique = Conduit à la formation de différents glucides à partir de précurseurs non glucidiques tels que le pyruvate ou le lactate Glucose = Molécule essentielle notamment chez tous les mammifères car le système nerveux, tissus embryonnaires . [...]

[...] utilisent le glucose sanguin comme unique ou principale source de glucose La forme de stockage des sucres est le glycogène chez les animaux et l'amidon chez les végétaux qui sont également synthétisés à partir de ces précurseurs simples I)La néoglucogénèse Néoglucogénèse = ''formation de sucres nouveaux'' = Formation du glucose à partir de précurseurs non glucidiques : formation de sucres nouveaux'' La néoglucogénèse est une voie universelle que l'on trouve chez animaux, les végétaux, les champignons et les microorganismes Pour les 3 réactions irréversibles d'autres enzymes vont intervenir : II)Le métabolisme du glycogène Glycogène = Réserve de glucose chez les vertébrés Il est surtout présent dans le foie et dans les muscles Quand l'organisme a besoin de glucose → Hydrolyse du glycogène A)Le catabolisme du glycogène Hydrolyse du glycogène : Glycogène résidus) + Pi → Glycogène résidus) + Glucose-1- phosphate Glycogène phosphorylase Conversion du glucose-1-phosphate en glucose-6-phosphate : Le glucose-6-phosphate sera utilisé dans la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas Les chaînes ramifiées sont formées Par l'amylo-alpha1,4 → α1,6-transférase ou enzyme branchantE On a transfert de 6 unités glucoses sur le carbone 6 d'un résidu glucose dès que la chaîne linéaire dépasse une certaine longueur d'environ 10 résidus Bilan : III)Le métabolisme de l'Amidon Amidon = Réserve de glucose chez les végétaux Il est surtout présent dans les graines ou les tubercules Quand l'organisme a besoin de glucose → Hydrolyse de l'amidon A)Le catabolisme de l'amidon B)L'anabolisme de l'Amidon Bilan : IV)Devenir du pyruvate Le pyruvate est formé par les différents processus glycolytiques : -Voie d'Embden-Meyerhof-Parnas 1 glucose → 2 pyruvates -Voie d'Entner-Douoroff 1 glucose → 1 pyruvate Le pyruvate se trouve à un carrefour métabolique et son destin va dépendre : -De l'espèce cellulaire où il se trouve -Des exigence en oxygène de la cellule -De la disponibilité de cet oxygène Devenir du pyruvate dans la cellule : Mesure de la pression partielle en oxygène (PO2) = La quantité pour la transformation du pyruvate : -PO2 faible = Hypoxie ou micro aérobie -PO2 nulle = Anoxie ou anaérobie On observe alors : -Dégradation incomplète du pyruvate -Rendement en ATP faible -Processus non oxydatif -localisation dans le cytosol Ce type de devenir du pyruvate est appelé les fermentations PO2 élevée = Conditions normales = Normaxie ou aérobie On observe alors : -Dégradation complète du pyruvate -Rendement en ATP important -Processus oxydatif -Localisation dans la mitochondrie Ce type de devenir du pyruvate est appelé devenir oxydatif A)Les fermentations PO2 faible = Hypoxie ou micro aérobiose PO2 nulle = Anoxie ou anaérobiose 1)Nécessité de recyclage du NAD+ Fermentations = Après les processus de glycolyses Voie de'embden-Meyerhof-Parnas : La voie d'Embden-Meyerhof-Parnas régènere à la fin l'ATP consommée au début et même on en produit mais pas le NAD+ NAD+ = Coenzyme,, faible quantité, très rapidement NAD+ totalement sous forme de NADH,H+ Abscence de coenzyme → Mort de la cellule Fermentation = Processus dans lequel le NAD+ est régénéré dans des conditions non oxydatives donc ne mettant pas en jeu l'oxygène 2)Fermentation lactique Réaction = Au niveau du muscle lorsque celui-ci a épuisé ses réserves d'oxygène, dans les tissus qui ont peu accès à l'oxygène tel que la cornée de l'œil, situations pathologiques tels que les lésions, tumeurs . [...]

[...] ) II)Techniques d'études A)Utilisation de traceurs radioactifs On utilise des isotopes, d'abord stables puis radioactifs Inconvénient → On n'a pas les intermédiaires de réactions B)Expérience de Pulse-Chase Enchaînement de réactions, basé sur le même principe que l'utilisation des traceurs radioactifs Détermination pas à pas des intermédiaires des voies métaboliques C)Ultracentrifugation différentielle Permet de réaliser le fractionnement d'un extrait cellulaire Séparation des organites et des particules subcellulaires par centrifugation : Dans le champ de gravitation d'une centrifugeuse les particules de tailles et de densités différentes ont des vitesses de sédimentations différentes D)Étude des intermédiaires Spectroscopie de masse : Méthode qui combine la chromatographie en phase gaz ou en phase liquide et la spectroscopie de masse pour séparer les molécules et les identifier Suivi de l'évolution des molécules tout au long de la dégradation ou de la synthèse de cette molécule E)Étude de la cellule vivante Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire : On incube les cellules avec du glucose marqué par un isotope stable on suit la disparition du glucose au cours du temps et l'apparition de produits du métabolisme III)Aspects physico-chimiques A)Rappels de thermodynamique Toute cellule est le siège de milliers de réactions biochimiques qui mettent en jeu des transferts de matière et d'énergie Molécule A ↔ Molécule B Molécule A = Système thermodynamique décrit par la fonction de Gibbs GA = HA - TSA GA = Enthalpie libre de A HA =Enthalpie de A 'énergie interne de SA = Entropie associée à A (désordre interne de T = Température Lors d'un processus de transformation de A en B avec Pression et Température constantes : A(Ga) ↔ B(Gb) Variation d'enthalpie libre pour la transformation de A en B : ∆GA→B = ∆HA→B – T∆SA→B = GB – GA Cela permet de connaître l'état thermodynamique du système et de prévoir le sens d'évolution de la réaction -Si ∆G la réaction se fait de B vers réaction endergonique (demande de l'énergie) Dans un milieu liquide à température et à pression constante : ∆G = ∆G° + RT ln = Activité de B (produit) = Activité de A (réactifs) ∆G° = Enthalpie libre standard (définit à 25°C atm et [soluté] = 1M) R = Constante des gaz rares T = Température Cela permet de connaître la facilité avec laquelle se déroule la réaction À l'équilibre de la transformation de A en B : Molécule A ↔ Molécule B On a ∆G = 0 Et comme ∆G = ∆G° + RT ln = 0 Alors ∆G° = - RT ln On définit γ par γ = Alors ∆G° = - RT ln γ À très petite concentration : ∆G° = - RT ln Avec γ° = = Keq (constante d'équilibre) Alors ∆G° = - RT ln γ° D'où ∆G° = -RT ln Keq B)Comparaison système fermé et ouvert Dans un système biologique comme une cellule En milieu aqueux on à des réactions de dissociations d'acide faible et de base faible AH ↔ + On a alors : ∆GAH = ∆G° + RT ln Dans une cellule, le pH est constant d'où est une constante : Alors ∆GAH = ∆G° + RT ln + RT ln À pH = 7 = 10-7) noté ∆G°' et ∆°' = ∆G° + RT ln C)Déroulement de la réaction d'un point de vue énergétique Systèmes biologiques : jamais à l'état d'équilibre Équilibre = Tube à essai ou cellule morte Systèmes vivants : On considère toujours les ∆G et non pas les ∆G° ou ∆G°' (mais ils sont des indicateurs de l'état de la cellule) La vie = Équilibre non thermodynamique : on considère alors ∆G° IV)Les fonctions et liaisons chimiques du vivant Les réactions métaboliques sont des réactions chimiques Les principales fonctions réactives possèdent les atomes O ou P Les liaisons à haut potentiel de transfert = Liaison impliquant les groupements phosphates L'ATP contient deux liaisons phosphoanhydre et une liaison phosphoester, ces 3 liaisons sont coupées lors de l'hydrolyse de l'ATP V)Les glycolyses Produit de départ des voies = Glucose Seuls les oses passent facilement à travers les membranes intestinales Maltose, saccharose, lactose = Disaccharide Glycolyse = Dissolution des sucres, destruction des oses, permet de former de l'énergie Le sucre constitue la principale source carbonée des cellules vivantes Il existe plusieurs voies métaboliques de destruction des sucres, nous étudierons 3 : -La voie d'Embden-Meyerhof-Parnas -La voie des Pentoses-Phosphates -La voie d'Entner-Doudoroff A)La voie d'Embden-Meyerhof-Parnas Principale voie de dégradation des sucres dans les différents règnes, transformation du glucose en pyruvate Elle présente 2 phases : -Phases de dégradation = Phase d'activation -Phases de récupération d'énergie = Phase de récupération 1)Phase d'activation Déstabilisation de la molécule de glucose pour pouvoir la couper Phosphorylation du glucose Réaction de phosphorylation : Transfert d'un groupement phosphate Nom de l'enzyme = Kinase Enzymes qui catalysent des réactions de phosphorylation à partir de NTP (ATP, GTP . [...]