Cycle de Krebs et chaîne respiratoire mitochondriale PDF

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A. TAILLEUX - PU...

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2017-2018

Biochimie Biochimie

– UE : VII– Cycle de Krebs et Chaîne respiratoire Semaine : n°2 (du 11/09/17 au 15/09/17) Date : 11/09/2017

Heure : de 9h00 à 10h00

Binôme : n°32

Professeur : Pr. Anne Muhr-Tailleux Correcteur : n°33

Remarques du professeur : Aucune remarque

PLAN DU COURS

I)

Cycle de Krebs A)

II)

Bilan du cycle de Krebs Cycle de l'acide citrique

A)

Réaction Cataplérotique

B)

Réaction Anaplérotique

C)

Transformation du pyruvate en oxaloacétate

III)

Régulation du cycle de l'acide citrique

IV)

Points clé du cycle de l'acide citrique

V)

La Chaîne Respiratoire

A)

Définition

B)

Le potentiel d'oxydo-réduction

C)

La variation d'énergie libre

VI)

VI) Le fonctionnement de la chaîne respiratoire

A)

Mécanisme

B)

Le complexe I

C)

Co-enzyme Q = Ubiquinone

D)

Complexe II

E)

Complexe III

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I)

Biochimie

Cycle de Krebs A)

Bilan du cycle de Krebs

À chaque tour du cycle, on a la formation de 3 molécules de NADH + H+ , une molécule de FADH2 et une molécule de GTP qui seront transformées en une molécule d'ATP. Le cycle de Krebs produit peu d’énergie : une seul molécule d'ATP par tour de cycle. Néanmoins, il produit des Co-facteurs avec des pouvoirs réducteurs : NADH et FADH2. Grâce à ces molécules générées, il va y avoir formation de grande quantité d’énergie. Il est plus simple de considérer les mouvements de carbones : –

La molécule d’acétyle co-enzyme A possède C2 et conduit à une molécule de citrate C6

–

Décarboxylation oxydative du citrate en isocitrate, on passe de C6 à C5

–

2ème décarboxylation oxydative avec formation de l'α-cétoglutarate (C5) avec formation du NADH.

–

À partir du C4, on a régénération de l'oxaloacétate avec formation de GTP, FADH 2 et NADH.

Pour toutes les formes métaboliques, il faut avoir un esprit synthétique.

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II)

Biochimie

Cycle de l'Acide citrique

Le cycle a de nombreux intermédiaires. Chacun de ses intermédiaires ne sont pas seulement intermédiaire du cycle de Krebs. Ils peuvent être les précurseurs d'autre molécules ou peuvent être synthétisés par d'autre voie métabolique que le cycle de Krebs : ce sont les plateformes métaboliques. Le cycle de l'acide citrique (Krebs) est une plateforme métabolique car certains intermédiaires peuvent être apportés par des réactions. Dans ces plateformes, on distingue 2 aspects : –

Les réactions Cataplérotiques

–

Les réactions Anaplérotiques

A)

Les réaction Cataplérotiques

Ces réactions font intervenir des intermédiaires du cycle de Krebs qui donnent d'autre molécules comme par exemple : •

l'α-cétoglutarate qui est produit par l'isocitrate. Mais c'est aussi une molécule qui est un précurseur d'acide aminés par des réactions de transamination. Il peut donner l'acide glutamique (Glu) et la glutamine (Gln).

•

Le succinyl Coa est le précurseur des porphyrines

•

Le fumarate et le malate sont 2 molécules qui entrent dans le métabolisme des AG.

•

L'oxaloacétate est le précurseur des Acides aminés dont l'acide aspartique (Asp) et l'asparagine (Asn)

Une molécule d'acétyle co-enzyme A fait le tour mais il peut y avoir des « fuites » dans le cycle de Krebs. Donc certaines molécules dans certains contexte vont donner des acides aminés plutôt que de continuer dans le cycle. Le cycle n'est pas nécessairement efficace à 100% car certains des intermédiaire peuvent donner d'autre molécules.

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B)

Biochimie

Les réaction Anaplérotiques :

•

Les acides aminés (Glu, Gln) peuvent donner des intermédiaires du cycle comme l'α-cétoglutarate.

•

Certains acides aminés peuvent donner le fumarate

•

L'Asp et l'Asn ainsi que de le pyruvate peuvent donner l'oxaloacétate

==> Le cycle peut tourner de manière efficace grâce à ces molécules qui alimentent le cycle.

C)

Transformation du pyruvate en Oxaloacétate

La molécule de pyruvate peut être carboxylée par la pyruvate carboxylase pour conduire à la formation d'oxaloacétate. Cette réaction fait intervenir du CO2 . De plus, c'est une réaction qui consomme de l'ATP. Le pyruvate donne de l'acétyle co-enzyme A et de l'oxaloacétate. Le pyruvate donne de l'Ac.CoA qui va se lier à l'oxaloacétate pour donner le citrate. Dans certaine circonstance, pour que l'Ac.CoA puisse rentrer dans le cycle de Krebs, il faut qu'il y ait de l'oxaloacétate sinon il n'y a pas de cycle de Krebs.

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Biochimie

Quand la glycolyse fonctionne de manière importante, il y aura beaucoup de pyruvate et donc de l'Ac.CoA sera formée. Il faut donc beaucoup d'oxaloacétate sinon l'Ac.CoA ne pourra pas rentrer. Ainsi, cette voie de transformation du pyruvate en oxaloacétate par le pyruvate carboxylase permet de générer les accepteurs de l'Ac.CoA. L'ac.CoA est un activateur allostérique du pyruvate carboxylase. Cette réaction se produit dans d'autre circonstance : néoglucogenèse.

III)

Régulation du Cycle de l'Acide citrique

La régulation du cycle se fait en fonction : •

De la charge énergétique

Il y a 2 enzymes clés : → Isocitrate déshydrogénase : Elle est régulée de manière allostérique par l'ADP et l'ATP. Donc s'il y a beaucoup d'ATP dans la cellule, on aura alors une inhibition de l'Isocitrate déshydrogénase et donc inhibition du cycle, ainsi il n'y a pas beaucoup d'ADP. Inversement, s'il y a beaucoup d'ADP donc un manque d'ATP, cela permettra l'activation de l'isocitrate déshydrogénase. Le NADH est aussi un inhibiteur de l'isocitrate déshydrogénase. → l'α-cétoglutarate déshydrogénase : Il est inhibé par le NADH, l'ATP ainsi que par le succinyl co-enzyme A •

Disponibilité en substrat

En particulier, l'acétyle co-enzyme A et l'oxaloacétate. •

D'un apport suffisant en O2

S'il n'y a pas d'O2, le cycle de Krebs ne sert pas car la chaîne respiratoire ne fonctionne pas. En hypoxie (manque d'O2 créant une détresse cardio-respiratoire) : La glycolyse ne fonctionne pas, le pyruvate ne vas pas former d'acétyle co-enzyme A mais du lactate en forte quantité. Le lactate (= acide lactique) peut facilement sortir de la cellule vers la circulation sanguine. Cependant, il existe des systèmes de tampon qui permettent de prendre en charge le lactate et de contrecarrer le pH sanguin jusqu'à un certain point. Mais quand la concentration en acide lactique augmente on a une hyperlactacidémie (= concentration anormalement élevé de lactate dans le sang), les systèmes tampon sont dévastés créant une acidose lactique pouvant conduire au coma et à la mort. En parallèle, on a un arrêt du cycle de Krebs, ainsi on ne fabrique plus que 2ATP/glucose par la glycolyse anaérobie. On a alors un manque d'énergie pour la cellule. •

Intégration avec d'autre voie métabolique

Exemple : Le citrate régule de manière allostérique la PFK1, il s'agit d'un inhibiteur allostérique.

IV)

Point clés du Cycle de l'Acide citrique

•

Cycle de Krebs, acide tricarboxylique, acide citrique

•

Cellule aérobies

•

Matrice mitochondriales.

•

7 enzymes solubles (sauf la succinate déshydrogénase) dont une membranaire (complexe 2 de la chaines respiratoire)

•

Extraction de l'énergie de l'acétyles co-enzyme A par oxydation en 2 CO2

•

Ac COA : provient du pyruvate, AG et AA

•

Production de 3 NADH, 1 FADH2 , 1 GTP par tour

•

Plateforme métabolique

•

Régulation 5/10

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V)

Biochimie

La Chaîne Respiratoire

On a : •

une mitochondrie

•

une membrane externe et interne qui délimitent un espaces inter-membranaire. Cette membrane externe est très perméable, les molécules y sortent et y entrent librement. Ainsi l'espace inter-membranaire et le cytosol sont considérés comme un seul et même compartiment

•

la matrice

→ Le glucose donne le pyruvate grâce à la glycolyse qui se fait dans le cytosol. Tandis que les AG donnent les acylcamitines dans le cytosol. → le pyruvate rentre dans la matrice mitochondriale grâce à des transporteurs spécifiques au niveau de la membrane interne tout comme l'acylcamitine. → Dans la matrice, le pyruvate se transforme en Acétyle co-enzyme A par l'action de l'acétyle co-enzyme A déshydrogénase. → Par la bêta-oxydation, on a la production de FADH2, de NADH et de l'acétyle Co-enzyme A. Ainsi l’acétyle Co-enzyme A entre dans le cycle de Krebs avec différentes enzymes. Remarque : Toutes les enzymes sont solubles sauf une qui est liée au complexe II de la chaîne respiratoire. → On a aussi du NADH produit ds le cytosol qui conduit à la formation d'ATP. Il va rentrer par des « navettes » dans la matrice mitochondriale et donner du NADH et FADH2.

A)

Définition :

la chaîne respiratoire est un ensemble physique et fonctionnelle qui permet la formation d'ATP (+ d'H 2O). C'est un ensemble de complexe enzymatique, avec des enzymes et des transporteurs qui vont –

Soit transporter des électrons

–

Soit transporter des protons ET des électrons

Cette chaîne respiratoire est localisée dans la membrane interne des mitochondries. 6/10

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B)

Biochimie

le potentiel rédox

Oxydant : fixe un électron pour donner un réducteur Réducteur : perd un électron pour donner un oxydant → le potentiel permet de mesurer l'affinité d'un transporteur (oxydant) pour l’électron → On a E'o qui correspond au potentiel redox biologique Il y a 2 couples important dans la chaîne respiratoire: –

NAD+/ NADH;H+, E'o = - 0,32V

–

½ O2/H2O , E'o = + 0,82V

C)

La variation d'énergie libre

Une réaction exergonique = libère de l'énergie. Toute la particularité est que l'énergie va être libérée de manière progressive le long de la chaîne avec un grand nombre d'intermédiaire. Cette série d'intermédiaire va permettre une libération progressive de l'énergie. → Donc l’ordre des transporteurs et l'ordre de E'0 sont croissant : du moins au plus oxydant

Le couple NAD+/ NADH est le potentiel le plus bas Le couple ½ O2/ H2O est le potentiel le plus élevé

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VI)

Biochimie

Fonctionnement de la chaîne respiratoire

A)

Mécanisme

Les transporteurs de protons et d’électrons sont regroupés au sein de différents complexes I, II, III et IV avec au bout l'ATP synthase ou complexe V de la chaîne respiratoire. → Les électrons et protons du NADH et FADH2 seront transférés au complexe I. → Du complexe I, ils sont ensuite transférés à un transporteur le co-enzyme Q. Tandis que les électrons de FADH 2 rentrent directement dans le complexe II puis vont vers le co-enzyme Q. → Les électrons du complexe I et II sont transférés vers le complexe III → Du complexe III, les électrons se dirigent vers le cytochrome C → Du cytochrome C, ils continuent jusqu’au complexe IV jusqu'à se faire accepter par l'O2 qui donne une molécule d'eau. D'un point de vue physique, ces complexes sont gros et peu mobiles dans la membrane. Au contraire le coenzyme Q et le cytochrome C sont plus petit et peuvent se déplacer dans la membrane mitochondriale. Ils peuvent donc charger les électrons du complexe II et III. Le co-enzyme Q est hydrophile dans la membrane. Le cytochrome C est plus en surface donc plus hydrophile que le co-enzyme Q. Ces mouvements d'électrons vont libérer de l'énergie et ils s'accompagnent d'une sortie de protons. Les protons dans la matrice sortent dans l'espace inter-membranaire. Attention: ce sont des protons présent dans la matrice pas ceux du NADH et FADH2 Il n'y a pas de sortie de protons pour tous mais seulement pour les complexes I, III et IV. Il n'y a pas de sortie de proton pour le complexe II car la sortie se fait par l'énergie libérée lors des passages des différents électrons dans les différents complexe. Ces protons dans l'espace inter-membranaire cherchent à retourner dans la matrice via l'ATP synthase. C'est le retour des protons dans l'ATP synthase qui conduit à la synthèse d'ATP.

B)

Le complexe I

il est aussi appelé NADH-Q-oxydoreductase : car il transporte les protons et les électrons du NADH jusqu'au coenzyme Q. Il s'agit d'un gros complexe ( > 900kDa, 46 chaines peptidique) Les transporteurs sont surtout: •

FMN ( Flavine mononucléotide ) : Il s'occupe de transporter des électrons ET des protons. Ce transport se fait en 2 étapes : - Fixation d'un électron et d'un proton = formation d'une forme intermédiaire = FMNH+ –

•

Fixation d'un 2ème protons et électrons = formation de la forme réduite = FMNH2.

Centre Fer-Soufre : Il permet de transporter seulement des électrons. Le fer ferrique fixe un électron et passe sous une forme fer ferreux.

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C)

Biochimie

Le co-enzyme Q = Ubiquinone

C'est une petite molécule hydrophile et mobile dans la membrane. Elle permet de transporter à la fois des protons ET des électrons. On a la forme Ubiquinone oxydée avec répétition d'un motif n = 10 fois. Comme le FMN, le transport se fait selon 2 étapes : –

fixation d'un électron et un proton, avec la formation d'une semi-quinone instable (QH)

–

fixation d'un 2ème électrons et protons, avec la formation d'une forme réduite QH2 = Ubiquinol.

Transfert de 2 électrons de NADH au co-enzyme Q par le complexe I :

→ Le NADH cède ces électrons au FMN → Le FMN accepte les électron et donne du FMNH 2 → Le FMNH2 transfère ses électrons au centre fer-soufre qui vont passer d'un état oxydé à un état réduit. → Le centre fer-soufre red transfère ses électrons jusqu’au co-enzyme Q.

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D)

Biochimie

Le complexe II :

Appelé Succinate-Q-reductase Les électrons du FADH2 rentrent dans le complexe II et sont transférés par la suite au co-enzymes Q. L 'enzyme principale du complexe II est la succinate déshydrogénase. C'est une grosse enzyme de 140kD, qui possède 4 SU, on la retrouve au niveau de la membrane interne. Elle fait aussi partie des enzymes intervenant dans le cycle de Krebs. Il existe d'autre enzymes tel que : •

Glycérol-phosphate déshydrogénase mitochondriale (cytosolique)

•

AcylCoA déshydrogénase

Les électrons du FADH2 sont transférés à des centre fer-soufre puis au co-enzyme Q Transfert des 2 électrons de FADH2 au co-enzyme Q par le complexe II :

→ les électrons du FADH2 sont transférés aux centres fer-soufre → les centres fer-soufre vont transférer leur électrons au co-enzyme QH2

E)

le complexe III :

Appelé aussi Q-cytochrome-c oxydo-reductase (250kD;11 SU) On trouve dans ce complexe des cytochromes : •

Ce sont des protéines de transfert des électrons contenant des groupe prosthétique hèmes

•

Fer2+ et Fe3+

Il y a 5 cytochromes mitochondriaux : •

Cytochrome b et c pour le complexe III

•

Cytochrome c

•

Cytochrome a et a3 pour le complexe IV

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