Introduction au métabolisme

Toute cellule est le siège de milliers de réactions chimiques qui mettent en jeu des transferts de matière et/ou d'énergie. Cet ensemble de réactions biochimiques s'appelle le métabolisme. Les réactions forment un réseau de voies métaboliques le long desquelles les molécules, que l'on appelle des métabolites, sont transformées.

Le schéma ci-contre illustre l'interdépendance des voies métaboliques. Chaque point est un métabolite : une molécule biologique synthétisée lors d'une réaction biochimique précise. Les traits qui relient les points sont les réactions biochimiques. Chaque métabolite est issu d'un (ou plusieurs) précurseur(s) et est le précurseur d'un (ou plusieurs) métabolite(s).

Bien que la plupart des cellules (organismes) possède le même ensemble de voies métaboliques de base (exemple typique : la glycolyse), les cellules (organismes) peuvent se distinguerpar des voies métaboliques qui leur sont propres. Cette spécialisation est liée aux sources d'énergie, aux sources de carbone et à la compartimentation sub-cellulaire. La classification basée sur les sources d'énergie définit 2 groupes majeurs d'organsimes : les phototrophes qui utilisent l'énergie lumineuse du soleil et qui la convertissent en une énergie chimique sous forme de molécules organiques complexes. les chimiotrophes qui utilisent ces molécules organiques comme source d'énergie en les dégradant par oxydation et qui refournissent des molécules simples aux phototrophes. les chimiotrophes peuvent aussi utiliser comme source d'énergie des substances inorganiques oxydables comme le Fe2+, NO2-, NH4+ ou des formes élémentaires de soufre. La classification basée sur les sources de carbone définit 2 autres groupes majeurs d'organsimes : les autotrophes qui utilisent le dioxide de carbone comme seule source. les hétérotrophes qui utilisent une forme organique du carbone (par exemple, le glucose) afin de synthétiser d'autres composés carbonés qui lui sont essentiels. les 2 principaux "réservoirs" de carbone sont le CO2 atmosphérique et le carbone constitutfs des êtres vivants. En conséquence, tout organisme appartient à l'un des 4 groupes : photo-autotrophes, photo-hétérotrophes, chimio-autotrophes, chimio-hétérotrophes.

Pour vivre, la cellule doit puiser de l'énergie du milieu extérieur. Il s'agit, par exemple, de l'énergie lumineuse dans le cas de la cellule végétale.Cette énergie initiale sert à la photosynthèse, au cours de laquelle le CO2 et l'eau se combinent (réaction de réduction) pour former des glucides. Puis, chez les organismes aérobies, ces glucides sont oxydés pour reformer de l'eau et du CO2 au cours de la respiration.

De tels processus (photosynthèse et respiration) transforment : une partie de l'énergie lumineuse initiale : l'énergie libre de Gibbs associée à certaines réactions de ces deux processus. en une forme d'énergie chimique, qui est seule utilisable par la cellule pour effectuer ses divers travaux : l'adénosine triphosphate ou ATP.

Anabolisme matériaux de construction + ATP ---> macromolécules complexes		Catabolisme macromolécules complexes ---> matériaux de construction + ATP
Ensemble des voies métaboliques qui : utilisent l'énergie chimique (ATP) générée par les processus cataboliques (ci-contre) pour la synthèse des macromolécules biologiques complexes : protéines, acides nucléiques, polysaccharides, lipides, ... à partir de molécules de structures simples : acides aminés, nucléotides, oses simples, glycérol et acides gras, ... ou à partir de "matériaux de construction" élémentaires : CO2 et H2O		Ensemble des voies métaboliques qui : dégradent les macromolécules biologiques complexes en molécules de structures simples élémentaires pour finir par l'oxydation complète "matériaux de construction" élémentaires, CO2et H2O. contribuent ou aboutissent à la synthèse d'ATP
Exemples : la photosynthèse dans les chloroplastes la synthèse des protéines à partir d'acides aminés la néoglucogenèse la voie des pentoses phosphates et la cétogénèse le cycle du glyoxylate		Exemples (figure ci-dessous) : la glycogènolyse la glycolyse la transformation du pyruvate en acétyl-CoA le cycle de Krebs la β-oxydation des acides gras et l'hélice de Lynen les navettes pour le transport de pouvoir réducteur la chaîne respiratoire dans les mitochondries les réactions de transamination - désamination le cycle de l'urée les corps cétoniques

Au cours des processus cataboliques, la partie utile de l'énergie initiale (l'énergie libre de Gibbs) est stockée dans des intermédiaires particuliers qui sont deux coenzymes réduits porteurs d'électrons : la nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) la flavine adénine dinucléotide (FADH2)

L'anabolisme et le catabolisme ont lieu simultanément dans la cellule : ces deux processus sont extrêmement régulés de manière coordonnée.Par ailleurs, les voies de biosynthèse et de dégradation qui pourraient être en compétition sont, chez les Eucaryotes, souvent localisées dans des compartiments sub-cellulaires distincts. Exemple : la voie de dégradation oxydative des acides gras est localisée dans la mitochondrie et celle de leur biosynthèse est localisée dans le cytosol. Toutes les réactions du métabolisme se déroulent à une très grande vitesse, bien supérieure à celles qu'elles auraient isolément dans la nature, grâce à des catalyseurs biologiques : lesenzymes.

La variation d'énergie libre de Gibbs La variation d'énergie libre de Gibbs, ΔG', mesure la partie de l'énergie d'un système qui produit un travail utile. Quand ΔG' est négatif, la réaction se déroule spontanément. Quand ΔG' est positif, la réaction ne peut avoir lieu sans un apport d'énergie libre de Gibbs d'une autre réaction qui lui est couplée. Quand ΔG' = 0, la réaction ne peut plus effectuer de travail utile : la réaction se déroule à l'équilibre. La mesure de l'énergie libre de Gibbs nécessite de définir un état standard. Les conditions standard pour les biochimistes sont pH = 7, donc une concentration [H+] de 10-7 M. La variation d'énergie libre de Gibbs standard est désignée par ΔG°'.

Variation d'énergie libre de Gibbs et constante d'équilibre Pour une réaction quelconque :               A + B <===> C + D                                                                                          [C]φ  . [D]φ ΔG'réaction     =            ΔG°'réaction        +    RT Ln  ( --------------------- )                                                                                          [A]φ  . [B]φ Equivalent à :             ΔG'réaction     =            ΔG°'réaction       +    RT Ln  (rapport des concentrations dans la cellule) A l'équilibre, ΔG' = 0 :                                                                                          [C]éq  . [D]éq Alors :                            ΔG°'réaction   =   - RT Ln  ( ----------------------- )   =   - RT Ln  Kéq                                                                                           [A]éq  . [B]éq [A]φ est la concentration du métabolite dans la cellule ou concentration physiologique (indice φ)  R est la constante des gaz parfaits T la température absolue

Couplage des réactions biochimiques L'énergie libre de Gibbs libérée par une réaction dont ΔG' est très négative peut-être utilisée pour qu'une réaction dont ΔG' est positive se déroule. On parle alors de couplage des réactions. réaction 1 :                                  A <====> B ΔG' << 0 réaction spontanée dans le sens de formation de B réaction 2 :                                  C <====> D ΔG' > 0 réaction impossible dans le sens de formation de D réactions 1 et 2 couplées :  A + C <====> B + D ΔG' < 0 réaction spontanée dans le sens de formation de D (et de B en conséquence)

Rôle et structure de l'ATP L'ATP joue donc un rôle central dans le métabolisme cellulaire : c'est le composé à haut potentiel énergétique le plus abondant dans la cellule. l'hydrolyse des composés à potentiel plus énergétique que celui de l'ATP sert la plupart du temps à la synthèse de l'ATP. c'est l'énergie libre de Gibbs libérée lors de l'hydrolyse de l'ATP qui est utlisée pour les différents travaux cellulaires.

L'ATP est un triphosphate de nucléoside dans lequel : une liaison ester phosphate relie le phosphate α à l'oxygène 5' du ribose une liaison phosphoanhydride relie les phosphates α et β une liaison phosphoanhydride relie les phosphates β et γ

Figure ci-dessous : mécanisme catalytique (simplifié) du transfert du groupement phosphoryle de l'ATP par les protéines kinases. L'état de transition est au milieu. Le produit est une tyrosine ou une serine/threonine phosphorylée de la protéine cible. Source : Endicott et al. (2012)

Visualisation de l'ATP au sein de la "RNA editing ligase 1" ("editosome") à une résolution de 1,20 Å. Code PDB : 1XDN Pour faire apparaître de multiples fonctions du menu Jmol : clic sur "Jmol" (Mac) clic droit sur "Jmol" (PC)

You do not have Java applets enabled in your web browser, or your browser is blocking this applet. Check the warning message from your browser and/or enable Java applets in your web browser preferences, or install the Java Runtime Environment from www.java.com Rotation Enveloppe electrostatique Molecules d'eau

L'énergie libre de Gibbs contenue dans la structure de l'ATP est transférée au moment où la liaison ester phosphate ou les liaisons phosphoanhydrides sont hydrolysées. l'hydrolyse de la liaison ester phosphate libère dans les conditions standard : ΔG°' = - 3,5 kcal.mol-1 l'hydrolyse de chacune des 2 liaisons phosphoanhydride libère dans les conditions standard : ΔG°' = - 7,3 kcal.mol-1

Exemples d'autres composés à haut potentiel énergétique
molécule	type de liaison	ΔG°' hydrolyse
phosphoénolpyruvate	énol ester	- 14,8 kcal/mol
acétyl phosphate	anhydride mixte	- 11,2 kcal/mol
phosphocréatine / phosphoarginine	phosphoamide	- 10,3 kcal/mol
coenzyme A ou CoASH	thioester	- 9 kcal/mol
pyrophosphate inorganique (PPi)	phosphoanhydride	- 8,0 kcal/mol
adénosine diphosphate (ADP)	phosphoanhydride	- 7,3 kcal/mol
adénosine monophosphate (AMP)	ester phosphate	- 3,5 kcal/mol

Le pouvoir réducteur des coenzymes

molécule abréviation nicotinamide adéninine dinucléotide réduit NADH nicotinamide adéninine dinucléotide phosphate réduit NADPH flavine mononucléotide réduit FMNH2 flavine adéninine dinucléotide réduit FADH2

Ces molécules constituent une forme d'énergie universelle. Leur énergie chimique est contenue dans les électrons qu'elles portent à l'état réduit. Cette énergie est libérée lors de leur réoxydation et elle sert à la formation d'un gradient de protons (force proton motrice) utilisé pour la synthèse d'ATP .

La nicotinamide adénine dinucléotide contient la nicotinamide qui est l'amide de l'acide nicotinique. A cours de la réduction du coenzyme, le groupe nicotinamide capte un proton et un ion hydrure H+ d'un substrat qui est déshydrogéné : NAD+ + 2H+ +2 e- <===> NADH + H+

Dans la structure de la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (réduite ou non / NADP+ ou NADPH+), un groupe phosphoryle supplémentaire substitue l'hydrogène de l'hydroxyle situé en position 2' du ribose lié à l'adénine.

Quelques éléments de la régulation du métabolisme Voir un ensemble de cours sur la régulation du métabolisme. L'environnement des organismes et des cellules change en permanence. Les réactions du métabolisme doivent donc être finement régulées pour : maintenir le plus possible des conditions de vie constantes (homéostasie) qu'un organisme ou une cellule interagissent avec leur environnement répondre à des signaux intrinsèques ou extrinsèques Il existe divers modes de régulation du métabolisme.

1. Les réactions irréversibles du point de vue énergétique.                                                                                           [C]φ  . [D]φ ΔG'réaction     =            ΔG°'réaction       +    RT Ln  ( ---------------------- )                                                                                           [A]φ  . [B]φ De cette relation, il ressort un concept primordial : c'est la concentration physiologique des métabolites qui régit la variation d'énergie libre d'une réaction, donc sa spontanéité, donc le sens dans lequel elle se déroule. Réactions réversibles : Les réactions biochimiques pour lesquelles le rapport des concentrations physiologiques des métabolites est proche du rapport des concentrations à l'équilibre, sont dites se dérouler au voisinage de l'équilibre. Ces réactions sont donc facilement réversibles. Pour ces réactions, la moindre tendance à s'éloigner d'un état proche de l'équilibre est immédiatement rétablie par le très haut pouvoir de catalyse des enzymes qui les contrôlent. Réactions irréversibles : Les réactions pour lesquelles ce n'est pas le cas sont des réactions métaboliquement irréversibles qui se caractérisent par des valeurs de ΔG' très négatives. Les réactions irréversibles régulent les voies métaboliques. En d'autres termes, elles en sont les points de contrôle. Ces réactions sont catalysées par des enzymes qui sont en quantités limitées dans la cellule. L'expression des gènes qui codent ces enzymes est soumise à des mécanismes de régulation extrêmement fins. Ces enzymes ont des propriétés catalytiques particulières et sont le plus souvent des enzymes à régulation dite allostérique (par opposition aux enzymes dites Michaéliennes). Les réactants ou les produits de ces réactions sont souvent des métabolites qui régulent l'activité d'enzymes qui catalysent d'autres réactions en aval ou en amont. Ces métabolites sont appelés effecteurs de l'activité enzymatique. Cette dernière caractéristique explique aussi pourquoi les réactions réversibles ne peuvent pas constituer des points de contrôle du métabolisme : l'activité des enzymes qui catalysent les réactions réversibles n'est pas modulable par des effecteurs.

2. La quantité d'enzymes synthétisées Les enzymes catalysent les réactions biochimiques : le contrôle de la quantité d'enzymes synthétisées est donc un autre moyen de régulation du métabolisme. Ce contrôle s'exerce de diverses manières. a. Le niveau de transcription des gènes Par exemple, au cours de la répression catabolique de l'opéron lactose chez les bactéries, quand la concentration en glucose diminue, le métabolisme du lactose devient nécessaire. Le signal de carence alimentaire est une augmentation de la concentration de l'AMP cyclique (AMPc). L'AMPc se fixe à la protéine "CAP" ("Catabolite gene Activator Protein"). Ce complexe se lie à l'ADN et augmente l'affinité de l'ARN polymérase pour le promoteur de l'opéron, ce qui se traduit par une augmentation d'un facteur 50 de la transcription de l'opéron lactose. Voir un cours sur les EST ("Expressed Sequence Tags") et la transcriptomique.

b. La modulation de l'activité et de la localisation des facteurs de transcription La phosphorylation et la déphosphorylation modulent l'activité de certains facteurs de transcription, soit en lesactivant directement, soit en modifiant leur localisation cellulaire. Exemple : les MAP kinases ("Mitogen-activated protein kinases") sont impliquées dans des voies de signalisation en réponse à des signaux extracellulaires (facteurs de croissance, cytokines, ultraviolets, agents de stress, ... -figure ci-contre). Elles régulent un grand nombre d'activités cellulaires, en particulier l'expression des gènes. En effet, ce sont des sérine/threonine protéines kinases qui phosphorylent certains facteurs de transcription, modifiant ainsi l'activité de ces molécules.

Source : Biocarta

c. La régulation post-transcriptionnelle maturation des ARN messagers primaires (épissage alternatifs et modifications structurales) dégradation nucléaire (exosome) [transport / séquestration / stockage / dégradation] des ARN matures l'interférence ARN (siRNA, miRNA, ...) ...

Une étude des transcrits de 10 chromosomes humains a montré que prés de la moitié sont non polyadénylés [poly(A)-] (Cheng et al., 2005) : 19,4% sont poly(A)+ 43,7% sont poly(A)-, c'est-à-dire non polyadénylés 36,/9% sont poly(A)+ et poly(A)- La polyadénylation alternative génère différents transcrits à partir d'un même gène (schéma ci-contre).

Source : D. Gautheret - INSERM ERM206

La polyadénylation chez les procaryotes : voir Sarkar (1997) "Polyadenylation of mRNA in prokaryotes" Annual Rev. Biochem. 66, 173-197

d. La régulation traductionnelle Elle régule la quantité d'ARN messagers traduits en protéines ou enzymes. C'est l'interférence ARN (siRNA, miRNA, ...).

3. L'activité des enzymes La vitesse de catalyse de chacune des réactions du métabolisme et donc le flux global des voies métaboliques dépendent de l'activité des enzymes. Il existe différents mode de régulation de l'activité des enzymes : Les modifications post-traductionnelles modifient la structure des protéines et modulent ainsi leur fonction. Une même protéine peut subir différents types de modifications post-traductionnelles. Exemple : les récepteurs couplés à une protéine G. Les inhibiteurs des enzymes. La modulation de l'activité par les effecteurs allostériques. Ces molécules modifient la conformation des enzymes.

4. Les signaux extracellulaires Les signaux extrinsèques jouent un rôle capital dans la régulation du métabolisme. Les signaux extracellulaires émanent : d'hormones, de stimuli divers (photon, molécule odorante, agoniste β-adrénergique, ...), de stress, ... d'autres cellules (on recense environ 200 types différents de cellules chez les mammifères). La communication entre cellules, via les contacts qu'elles établissent, joue donc un rôle dans la régulation du métabolisme Ces signaux sont captés par des récepteurs de différents types : soit la molécule signal pénètre dans la cellule pour se lier à un récepteur cytoplasmique soit la molécule signal se lie au domaine extracellulaire d'un récepteur transmembranaire Il existe divers types de récepteurs membranaires : les récepteurs ionotropes qui sont des protéines qui ouvrent des canaux ioniques (exemple : le récepteur de l'acétylcholine) les récepteurs métabotropes qui sont couplés à des protéines G les récepteurs métabotropes dotés d'une activité enzymatique intrinsèque qui est déclenchée par la fixation du ligand (exemple : le récepteur de l'insuline) Ensuite, des messagers dits "secondaires" vont relayer le signal jusqu'à la cible intracellulaire via un ensemble d'évènements que l'on appelle la transduction du signal ou cascade de signalisation. Parmi les messagers secondaires, on peut citer : l'AMP cyclique, le calcium, la calmoduline, les phosphatidylinositols, le diacylglycérol, ... Dans la grande majorité des cas, cette cascade d'évènements de signalisation met en jeu des protéines kinases qui phosphorylent des enzymes. Cette modification post-traductionnelle induit une modification de la structure de ces enzymes qui se traduit par une diminution ou une augmentation de leur activité. En conséquence, le flux des voies métaboliques est modifié.

Liens Internet et références bibliographiques

Vision globale du métabolisme (Expasy) - (Figure interactive)	Aller au site
"Biocarta" : site interactif sur la signalisation cellulaire	Aller au site
"The UCSD-Nature Signaling Gateway" - A comprehensive resource for information about cell signaling.	Aller au site
KEGG PATHWAY Database	Aller au site
"MetaCyc" : database of nonredundant, experimentally elucidated metabolic pathways (more than 1,100 pathways from more than 1,500 different organisms).	Aller au site
Cheng et al. (2005) "Transcriptional maps of 10 human chromosomes at 5-nucleotide resolution" Science 308, 1149 - 1154 Endicott et al. (2012) "The Structural Basis for Control of Eukaryotic Protein Kinases" Annu. Rev. Biochem. 81, 587 - 613	Article Article