Biochimie - Métabolisme des glucides PARTIE 1 (o. s.) Flashcards
Objectifs spécifiques
MISE EN SITUATION - CAPSULE CLINIQUE :
A 7h 50, un agent de la Sûreté du Québec amène à la salle des urgences de votre hôpital un voyageur de commerce, monsieur Bouchard, qui s’est arrêté à une halte routière se sentant trop fatigué pour continuer sa route. Il se plaignait de douleurs à la poitrine.
L’anamnèse vous apprend que le patient, âgé de 51 ans, éprouve une sensation de pesanteur intermittente au niveau du sternum et des troubles de digestion. Ces troubles le rendent perplexe puisqu’il n’a ingéré que deux rôties avec de la confiture, un verre de lait et deux cafés pour son déjeuner. Quant aux douleurs thoraciques, il les attribue aux efforts violents qu’il a faits en pelletant la neige pour dégager sa voiture et tâcher ainsi d’arriver à temps chez un client.
L’examen physique montre un pouls augmenté, une pression sanguine plutôt faible. Vous soupçonnez un infarctus du myocarde. Vous demandez un électrocardiogramme: les résultats sont anormaux mais non concluants.
Malgré les réticences du patient qui se déclare une personne en pleine forme et jamais malade, vous décidez de l’hospitaliser et d’effectuer des analyses biochimiques afin d’évaluer sa condition physique et de suivre l’évolution de sa maladie. Le diagnostic d’un infarctus du myocarde (IM) est confirmé par les résultats des analyses biochimiques (voir tableau de la page suivante).
RÉSULTATS DE LABORATOIRE :
BIO-07.01 Que désigne l’abréviation ATP et quelle est la principale fonction de l’ATP dans la contraction du muscle cardiaque?
Adénosine triphosphate.
Les étudiants devraient être capables de donner le nom complet des nucléotides des bases puriques et pyrimidiques.
Fournir l’énergie nécessaire à la contraction musculaire.
L’ATP est la forme d’énergie qui est utilisée le plus fréquemment par les cellules de l’organisme.
BIO-07.02 Qu’advient-il de l’ATP au cours de son utilisation dans le muscle?
Voir l’encadré du schéma 2-6
Une de ses deux liaisons riches en énergie (aussi appelée « liaison à haut potentiel énergétique ») est hydrolysée pour fournir de l’énergie.
ATP + H2O → ADP + Pi
Une liaison riche en énergie : sa rupture dégage beaucoup d’énergie libre qui peut être utilisée pour accomplir une tâche spécifique (ex.: contraction musculaire) si les enzymes, structures, etc. appropriées sont présentes.
L’ATP possède deux liaisons riches en énergie. On peut considérer l’ATP comme :
** AMP~P~P **
Dépendant de l’enzyme qui utilise l’énergie de l’ATP et de la réaction catalysée, la première ou la deuxième liaison riche en énergie est utilisée.
Noter le signe ~ qui apparaît dans plusieurs schémas.
BIO-07.03 La contraction d’un muscle demande une énorme quantité d’ATP. Est-ce que tout cet ATP provient directement de l’alimentation, de réserves dans des cellules spécialisées à fournir de l’énergie aux autres cellules de l’organisme ou encore de réserves dans les cellules cardiaques elles-mêmes?
Dans les aliments, il y a très peu d’ATP : le peu qu’il pourrait y avoir est rapidement dégradé dans l’aliment lui-même, dans l’intestin et l’épithélium intestinal de l’organisme qui se nourrit.
L’ATP ne se retrouve qu’à l’intérieur des cellules. Il ne peut pas franchir les membranes cellulaires.
Chaque cellule fabrique son propre contingent de molécules d’ATP. Il n’y a aucune réserve d’ATP utilisable comme tel dans l’organisme et encore moins une réserve qui serait transportable d’un tissu à un autre.
Un effort ne peut être soutenu par les « réserves » d’ATP des cellules que pour quelques secondes (une à trois secondes).
Les cellules fabriquent leur propre ATP à partir de la dégradation et de l’oxydation de carburants.
Ce sont ces carburants qui sont emmagasinés dans certaines cellules spécialisées et peuvent être exportés dans le sang pour être convertis en ATP par les cellules ne possédant pas de réserves de carburant.
BIO-07.04 En ce qui concerne les cellules musculaires, nommez les mécanismes de régénération de l’ATP.
Voir l’encadré du schéma 2-6.
Les mécanismes de phosphorylation présentés ici seront explicités dans la suite du problème.
N.B. Phosphorylation signifie l’addition à une substance d’un groupement phosphate provenant d’une molécule contenant une liaison à haut potentiel énergétique. Dans les cas qui nous intéressent, la molécule à phosphoryler est l’ADP et le produit est donc l’ATP.
- Régénération par phosphorylation de l’ADP en ATP à partir d’ADP et de la créatine~phosphate qui possède un groupement phosphate à haut potentiel énergétique.
- Régénération par phosphorylation de l’ADP en ATP uniquement à partir d’ADP au cours d’une réaction qui forme aussi de l’AMP, une molécule qui est capable d’activer la glycolyse.
ADP + ADP → ATP + AMP
Cette réaction peut être représentée de la façon suivante :
ADP + (AMP ~ P) → (ADP~ P) + AMP
- Phosphorylation (de l’ADP en ATP) par le biais de la « phosphorylation au niveau du substrat » : Ces substrats sont des métabolites énergétiques qu’on ne peut mettre en réserve mais dont l’énergie peut être facilement transférée à l’ADP pour former de l’ATP. Ces métabolites sont formés par les voies métaboliques utilisées pour le catabolisme de carburants comme :
- le glucose ou le glycogène (glycolyse et cycle de Krebs) ;
- les acides gras (cycle de Krebs).
- Régénération de l’ADP en ATP par la « phosphorylation oxydative » à partir de l’énergie générée lorsque les électrons soustraits de métabolites de la glycolyse et du cycle de Krebs réagissent avec l’oxygène. Cette énergie sert à combiner l’ADP directement au phosphate pour former de l’ATP.
(RÉSUMÉ:
Moyens rapides (urgence) :
1) À partir de la créatine-phosphate
2) À partir de 2 molécules d’ADP
À partir du catabolisme de carburants :
3) Phosphorylation au niveau du substrat
4) Phosphorylation oxydative)
BIO-07.05 Décrivez les deux fonctions de la créatine kinase dans la cellule musculaire.
Voir le schéma 2-6.
Utilise ou reconstitue les réserves de créatine~phosphate.
Remarquer que l’ATP n’est pas la seule molécule à posséder une liaison riche en énergie.
- Production d’ATP
La CK catalyse une réaction physiologiquement réversible. Quand le muscle a épuisé ses maigres réserves d’ATP, il se fie sur certaines réactions biochimiques pour les reconstituer. Une de ces réactions est catalysée par la CK qui utilise la liaison riche en énergie présente dans la molécule de créatine~phosphate pour reformer la liaison riche en énergie de l’ATP consommé lors de la contraction musculaire.
Créatine~P + ADP → créatine + ATP (ADP~P)
- Mise en réserve de groupements phosphate à haut potentiel énergétique.
Au repos, quand l’ATP a été régénéré à partir de l’ADP par les mécanismes biochimiques appropriés, il y a assez d’ATP pour en mettre un peu en réserve sous la forme de créatine~phosphate. C’est encore la CK qui catalyse cette réaction.
Bien que l’équilibre de la réaction favorise la formation d’ATP à partir de créatine phosphate, si la concentration en ATP est assez élevée, la réaction se fait dans l’autre sens (formation de créatine~phosphate).
Créatine~P + ADP ← créatine + ATP (ADP~P)
Cette réaction a lieu dans la mitochondrie où la concentration en ATP lui est favorable.
BIO-08.01 Nommez par ordre d’importance les principaux carburants que le muscle cardiaque peut retrouver dans le sang.
Les principaux carburants utilisés par le muscle cardiaque sont :
- les acides gras, 70-80%;
- le glucose, 10-15%;
- le lactate, 10-15%;
- des acides aminés, mais de façon moins importante.
L’oxydation du lactate n’est réalisable d’une façon importante et utile que dans le cœur et le foie. Les muscles squelettiques n’utilisent que très peu cette source d’énergie.
BIO-08.02 Comment ces carburants sont-ils obtenus de chacun des aliments absorbés au cours du déjeuner de monsieur Bouchard ?
Le lait contient probablement des triacylglycérols (TG) qui fournissent les acides gras. Il contient aussi du lactose qui est digéré en glucose et en galactose.
Le café, s’il est sucré, contient du saccharose qui, une fois digéré, fournit du glucose et du fructose.
Le pain est de l’amidon qui est digéré en glucose. S’il est tartiné de beurre ou de margarine, il y a apport de TG et donc d’acides gras.
Le lactate ne provient que de sources endogènes. Il ne se retrouve pas dans l’alimentation en quantité importante. Il est produit constamment par les globules rouges à partir du glucose ou, occasionnellement, par les muscles soumis à un effort intense. Il est alors formé à partir du glycogène musculaire.
Les quelques acides aminés qui pourraient être utilisés comme carburants proviennent de la protéolyse des protéines du lait. La majorité de ces acides aminés sont captés par le foie et les muscles squelettiques afin de synthétiser des protéines et d’autres dérivés azotés, ou bien servir de source d’énergie. Il en reste très peu pour le coeur qui se satisfait volontiers des acides gras.
BIO-08.03 Distinguer un carburant d’une molécule comme l’ATP.
Un carburant est dégradé ou oxydé pour former des composés facilement utilisables pour les processus énergivores comme la contraction musculaire, le transport et les voies métaboliques anaboliques.
Un carburant est une substance relativement complexe, qui, lors de sa dégradation :
- libère de l’énergie qui peut être utilisée pour régénérer de l’ATP à partir d’ADP
- ou fournit des électrons qui seront combinés à l’oxygène et à des H+ pour fournir de l’énergie qui sera aussi utilisable pour générer de l’ATP à partir d’ADP par phosphorylation oxydative.
Molécules complexes → molécules plus simples + électrons
électrons + O2 + H+ → énergie énergie + ADP + Pi → ATP
- D’autre part, les carburants sont souvent véhiculés d’un tissu à un autre par voie sanguine.
BIO-09.01 Le glucose doit emprunter de façon séquentielle trois voies métaboliques afin d’être complètement oxydé en CO2. Nommez ces voies métaboliques chargées de la dégradation du glucose dans le myocarde normal.
Voir le schéma 2-2.
- Glycolyse
- Oxydation du pyruvate en acétyl-CoA : cette réaction qui n’a pas de nom précis n’est pas, à proprement parler, une voie métabolique.
- Cycle de Krebs
BIO-09.02 Pour chacune de ces voies métaboliques, nommez, sans les dénombrer, leurs principaux substrats ainsi que les principaux produits générés.
- Glycolyse :
glucose; pyruvate, formation d’ATP et perte d’électrons qui forment en bout de ligne de l’ATP - Oxydation du pyruvate en acétyl-CoA : pyruvate; acétyl-CoA, CO2, perte d’électrons
- Cycle de Krebs :
acétyl-CoA; CO2, perte d’électrons, production de GTP (l’équivalent de l’ATP)
BIO-010.01 Où se produit la glycolyse dans la cellule?
Cytosol
Remarque : La majorité des voies cataboliques se retrouvent non pas dans le cytosol mais dans les mitochondries. Ceci est plus pratique car les électrons qu’on enlève lors des réactions d’oxydation des voies cataboliques sont alors utilisés sur place, dans la chaîne respiratoire, au lieu d’être transportés dans la mitochondrie à partir du cytosol.
BIO-010.02 Nommez deux réactions de la glycolyse où il y a consommation d’ATP et une réaction où il y a production d’ATP.
- Hexokinase (consommation d’ATP) :
glucose + ATP → glucose 6-P + ADP
Cette réaction est irréversible.
Noter que dans le schéma 2-3, non seulement le glucose mais aussi l’ATP est un substrat de l’hexokinase.
Cette réaction est catalysée dans tous les tissus par une hexokinase. Le foie possède une hexokinase nommée glucokinase qui est une enzyme inductible par l’insuline. Le glucose-6-P ne peut ressortir des cellules, car il ne peut pas traverser les membranes.
- Phosphofructokinase (PFK) (consommation d’ATP) :
Fructose-6-P + ATP → Fructose 1,6-bisphosphate + ADP
Cette réaction est irréversible.
N.B. : Ces deux enzymes sont importantes à retenir, car elles catalysent des réactions physiologiquement irréversibles, spécifiques à la glycolyse. Ces enzymes sont des points de contrôle du métabolisme du glucose par les hormones (glucagon, insuline, etc.) dans le foie et par des métabolites (AMP, ATP, etc.).
Ces réactions devront être contournées lors de la néoglucogenèse.
- Pyruvate kinase (production d’ATP) :
Phosphoénolpyruvate (PEP) + ADP → Pyruvate + ATP
Cette réaction génère de l’ATP par le mécanisme de phosphorylation au niveau du substrat; elle est physiologiquement irréversible. On devra la contourner lors de la néoglucogenèse.
BIO-010.03 Expliquez pourquoi la glycolyse produit deux molécules de pyruvate à partir d’une molécule de glucose.
Voir le schéma 2-3S
Formation de deux molécules de triose à partir du fructose~1,6~bisphosphate, soit une molécule de dihydroxyacétone phosphate et une molécule de glycéraldéhyde-3- phosphate. Ces deux molécules de triose sont facilement interconvertibles. Lorsque la concentration en glycéraldéhyde-3-phosphate baisse dans la cellule, il y a automatiquement rééquilibre et formation de glycéraldéhyde-3-phosphate à partir de dihydroxyacétone phosphate. Ainsi, toutes les molécules de fructose-1,6-bisphosphate apparaissent finalement sous forme de deux molécules de pyruvate.
D’une molécule à 6 carbones on génère donc deux molécules à 3 carbones.
BIO-010.04 Au cours de la glycolyse, y a-t-il plus d’ATP généré ou d’ATP utilisé?
4 ATP directement formés par phosphorylation au niveau du substrat et 2 ATP utilisés (si on fait abstraction des 6 ATP qui seront générés par l’oxydation des 2 NADH à la chaîne respiratoire mitochondriale).
BIO-010.05 La glycolyse est-elle une voie anabolique ou une voie catabolique? Expliquez.
Catabolique car elle remplit les conditions nécessaires :
Elle génère des composés simples (2 pyruvates) à partir d’un composé plus complexe (glucose) et elle produit de l’énergie (2 ATP net et 2 électrons énergétiques qui équivalent à 6 ATP).
À l’inverse, une voie anabolique génère habituellement des composés complexes à partir de composés simples et elle consomme de l’énergie sous forme de liaisons riches en énergie (ATP) et/ou d’électrons riches en énergie (NADPH).
N.B. Le nom des voies cataboliques se termine habituellement par le suffixe « -lyse » tandis que celui des voies anaboliques se termine par le suffixe « -genèse ».
BIO-011.01.01 Décrivez la transformation du pyruvate en acétyl-CoA dans la cellule musculaire en indiquant : où et comment elle a lieu dans la cellule.
Schéma 2-4
Les étapes d’oxydation et de dégradation subséquentes aux réactions de la glycolyse sont effectuées dans la mitochondrie.
Noter que cette étape de l’oxydation complète du glucose n’a pas de nom spécifique.
Pyruvate + NAD+ + CoA-SH → Acétyl~CoA + NADH + H++ CO2
Il s’agit d’une oxydoréduction, d’une décarboxylation et de la formation d’une liaison riche en énergie. Cette particularité de l’acétyl~CoA est mise en évidence dans le schéma par la liaison “~”
Enzyme : pyruvate déshydrogénase (PDH). Voir le module «Les enzymes » page 43.
BIO-012.02 Nommez la voie métabolique responsable de l’oxydation complète de l’acétyl~CoA et identifiez ses principaux métabolites.
Schéma 2-4.
Cycle de Krebs. Cette appellation sera utilisée dans ce cours. Noter qu’on peut utiliser
les termes : cycle de l’acide citrique, cycle des acides tricarboxyliques.
Les principaux métabolites sont en caractères gras dans le schéma 2-4. Ils sont :
acétyl~CoA, citrate, a(alpha)-cétoglutarate, succinyl~CoA, fumarate, malate et oxaloacétate.
BIO-012.04 Décrire les réactions chargées de la synthèse du citrate, du succinyl- CoA et de l’oxaloacétate.
Formation du citrate :
acétyl~CoA + oxaloacétate + H2O → citrate + CoA-SH
Enzyme : Citrate synthase.
Noter la perte de la liaison riche en énergie de l’acétyl~CoA qui favorise la synthèse de citrate, qui rend la réaction irréversible ; par conséquent, la citrate synthase est un point de contrôle du cycle.
Synthèse du succinyl~CoA (voir figure du haut)
Noter que les mêmes coenzymes sont utilisées par l’alpha-cétoglutarate déshydrogénase et la pyruvate déshydrogénase.
Synthèse d’oxaloacétate (voir figure du bas)
Noter que dans les deux schémas on insiste sur les électrons qui sont arrachés des substrats.
BIO-012.05 Combien de molécules de CO2 sont formées dans la mitochondrie à partir d’une molécule de glucose dans un myocyte bien oxygéné ?
Voir le schéma 2-4
6 CO2/glucose puisque chaque molécule de glucose génère 2 molécules de pyruvate (molécule à 3 carbones) et que le pyruvate et ses métabolites subissent trois réactions de décarboxylation (oxydatives) catalysées par la pyruvate déshydrogénase, *l’isocitrate déshydrogénase et l’-cétoglutarate déshydrogénase.
OBJECTIF BIO-013 :
Décrire le fonctionnement de la chaîne respiratoire.
L’oxydation complète du glucose en CO2 fait intervenir des réactions d’oxydoréduction. Au cours de ces réactions, les coenzymes passent de la forme
oxydée à la forme réduite. Comme la quantité de ces coenzymes est très limitée dans les cellules, les coenzymes réduites doivent être réoxydées pour que d’autres molécules de glucose puissent être oxydées (dégradées) à nouveau.
