Introduction :
Le terme métabolisme se rapporte à l’ensemble des réactions chimiques qui ont lieu dans une cellule vivante ou dans un organisme. Le métabolisme est l’une des caractéristiques essentielles de tous les étres vivants.
Les réactions métaboliques se produisent en chaines ou voies. Dans une voie métabolique, le produit de la réaction 1 devient un réactif dans la réaction 2 et ainsi de suite. De nombreuses voies se ramifient car certaines molécules ont la possibilité d’entrer dans plusieurs Réactions éventuelles.
Il y a deux types généraux de voies métaboliques dans les cellules vivantes :
Les voies cataboliques provoquent la dégradation des molécules organiques en leurs constituants les plus simples. Le catabolisme libére l’énergie chimique stockée dans les liaisons chimiques des molécules organiques.
Les voies anaboliques entrainent la synthése de molécules organiques à partir de leurs constituants les plus simples. L’anabolisme exige un apport d’énergie chimique, qui se stocke dans les molécules organiques
1. Métabolisme des glucides :
1.1. La photosynthèse :
La Photosynthèse est une propriété fondamentale du règne végétal en particulier les plantes photo-autotrophes. Elle lui confère l’indépendance vis-à-vis des autres formes de vie. Son mécanisme consiste à utiliser l’énergie solaire pour briser la molécule d’eau en ses deux éléments constitutifs ; l’oxygène inutile est rejeté, l’hydrogène va constituer une « force motrice » destinée à transformer le gaz carbonique atmosphérique en sucres (Fig. 1).
Figure 1 : Voies métaboliques chez les cellules autotrophes et hétérotrophes.
1.1.1. Définition :
La photosynthèse est le processus responsable de la transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique au niveau de la plante, autrement dit : processus permettant de synthétiser de la matière organique (sucres) à partir de la lumière du soleil. Elle se réalise au niveau des chloroplastes qui sont des organites cellulaires spécialisées, et permet une consommation de dioxyde de carbone et d’eau afin de produire du dioxygène et des molécules organiques telles que le glucose. Pour se faire la photosynthèse se réalise en deux grandes phases, la phase claire et la phase sombre.
- La formule générale
1.1.2. Localisation :
Le chloroplaste, siège de la photosynthèse est un organite semi-autonome de la cellule végétale (Fig.
2). Il possède donc, comme la mitochondrie, son propre matériel génétique, ainsi qu’une double membrane phospholipidique (membrane externe et membrane interne).
Fig. 2 : Schémas d’un chloroplaste
1.1.3. Etapes de la photosynthèse :
La photosynthèse comporte deux étapes : une étape de réaction à la lumière et le cycle de calvin (Fig 3).
Fig 3 : Vue d’ensemble de la photosynthèse.
• La phase claire (la phase photochimique) : cette étape se déroule dans la membrane des thylacoïdes, c’est un ensemble de réactions photochimiques, qui dépendent de la lumière, et au cours desquels les électrons sont transportés à travers les deux photosystèmes (PSI et PSII) afin de produire de l’ATP (molécule riche en énergie) et du NADPH (potentiel réducteur). La phase claire permet donc directement la transformation de l’énergie lumineuse capturé par les pigments (chllorophyles et pigments associés) en énergie chimique (Fig 4).
Equation bilan de la phase photochimique :
2H2O+2NADP++ 3 ADP+ 3 Pi O2+ 2 NADPH2+ 3 ATP Le bilan de la phase pour 2 G3P (glucose-6-P) :
12 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP+18 Pi 12 NADPH2+ 18 ATP + 6 O2
• La phase sombre correspond au cycle de Calvin, entièrement enzymatique et
indépendante de la lumière, au cours duquel l’ATP et le NADPH sont utilisés pour la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau en glucides. Cette seconde partie permet l’assimilation du gaz carbonique. Les réactions de synthèse se produisent dans le stroma du chloroplaste (Fig 5).
Equation bilan de la phase sombre :
3 CO2+6 NADPH2+9 ATP G3P+9 ADP+8 Pi + 6 NADP+ + 3 H2O
Le bilan de la phase pour 2 G3P :
6 CO2+ 12 NADPH2+ 18 ATP 2G3P+ 18 ADP +16 Pi+12 NADP++6 H2O Le bilan global de la photosynthèse :
12H2O+12NADP++18ADP+18Pi+6CO2 2 G3P+18ADP+16Pi+6O2
Figure 4 : La phase photochimique.
Figure 5 : Le cycle de Calvin.
Remarque : Devenir du triose phosphate (G3P)
• Une partie permet de régénérer le ribulose 1-5 biphosphate de départ (réaction qui consomme de l'ATP).
• Une partie permet la synthèse de molécules glucidiques, puis de protides et de lipides ultérieurement
1.2. Anabolisme glucidique : 1.2.1 La Synthèse de l’amidon :
Dans les feuilles, la synthèse de l’amidon (polysaccharides de réserve) se déroule dans le stroma des plastes. La biosynthèse de l'amidon peut être résumé de façon relativement simplifiée par la figure 6. Les 3 étapes anaboliques majeures y sont représentées :
• La biosynthèse du précurseur ADP-glucose
• L'élongation des glucanes linéaires
• La ramification et la maturation de la structure
Figure 6 : Schémas générale du cycle de biosynthèse de l’amidon chez les végétaux
.
• Régulation de la synthèse de l’amidon :
La synthèse du précurseur ADP-glucose (Adénosine diphospho-Glucose) est assurée par l’ADP-glucose pyrophosphorylase, L'enzyme conditionne l'étape principale de contrôle du flux carboné dans la voie. Elle est activée par le 3-PGA (3-phosphoglycerate) et inhibée par l'orthophosphate.
1.2.2. La biosynthèse du saccharose :
Le saccharose est un produit intermédiaire majeur de la photosynthèse. Dans diverses plantes, il est la principale forme de transport du sucre des feuilles vers d'autres parties de la plante.
Dans les graines germées des plantes, les graisses stockées et les protéines sont transformées en saccharose pour la croissance de la plante verte en développement.
Les trioses phosphates (triose-p) issu du cycle de Calvin peuvent entrer directement dans la voie de la glycolyse et ainsi alimenter le cycle de Krebs. L'excès de trioses importés du chloroplaste permet la synthèse de saccharose qui sera exporté vers les autres cellules de l'organisme.
(Fig.7).
Étapes de synthèse :
• Dans le cas d’excès de triose-p importés du chloroplaste, ils remontent dans les réactions de la glycolyse et permettre ainsi la formation de glucose 1-phosphate (G1-P).
• Le G-1P est à l'origine de la synthèse de saccharose mais doit être associé à une molécule très riche en énergie, l'Uridine Tri Phosphate (UTP). Il en résulte de l'uridine di- phosphate-glucose (ou UDPG, réaction 1).
• L'UDPG, associé au fructose 6-p, permet d'obtenir du saccharose-P (2) grâce au saccharose phosphate synthase ou du saccharose (3) grâce au saccharose synthase.
Remarque : La dégradation du saccharose se fait par L’invertase : Saccharose + H2O —>
glucose + fructose.
Figure 7 : Les trioses phosphates, plaque tournante du métabolisme de la cellule chlorophyllienne.
1.3. Le catabolisme glucidique
Le glucose, s’il n’est pas stocké sous forme d’amidon, sera dégradé afin de fournir de l’énergie directement utilisable par la cellule.
Il existe deux voies métaboliques principales pour cela :
• La respiration cellulaire en milieu aérobie (milieu où il y a présence d’oxygène) ;
• La fermentation : fermentation alcoolique, butyrique…en milieu anaérobie (milieu dépourvu d’oxygène).
1.3.1. La respiration cellulaire :
Lors de la respiration cellulaire, la dégradation du glucose se fait grâce à des transferts d’électrons (ce qui libère l’énergie).
La réaction globale est :
La respiration cellulaire se fait en trois étapes :
• La glycolyse, (c’est aussi la première étape de la fermentation) ;
• Le cycle de Krebs ;
• La chaine respiratoire
a) La glycolyse
Le glucose subit tout d’abord une glycolyse qui se déroule dans le cytoplasme, l’oxygène du milieu n’intervient pas : cette réaction s’effectue en anaérobiose, elle a comme fonction la synthèse de molécule riche en énergie, ainsi que la formation de pyruvate qui aura plusieurs destinées.
Les étapes de la glycolyse (Fig 8) :
1. Au cours de la glycolyse, le glucose est d’abord converti en glucose 6-phosphate (G6P) grâce à l’hexokinase (c’est une Kinase, enzyme catalysant les transferts d’un groupement phosphate d’une molécule à une autre), cette réaction s’effectue par couplage de l’hydrolyse de l’ATP en ADP+Pi, car cette réaction demande de l’énergie : c’est une synthèse.
2. Le glucose 6-P est ensuite converti en fructose 6-P par une autre enzyme, la phosphohexose isomérase. Il s’agit d’une isomérisation (conversion de la molécule en l’un de ses isomères), réaction réversible catalysée par une isomérase.
3. Le fructose 6-P est ensuite converti en fructose 1,6 diphosphate par la phosphofructokinase (PFK). Cette réaction s’effectue aussi grâce à l’hydrolyse d’une molécule d’ATP. La PKF a un rôle très important dans la régulation de la glycolyse, cet enzyme forme la véritable étape d’admission dans la voie.
4. La scission du fructose (hexose) en deux trioses : la réaction de dégradation du fructose-1,6-biphosphate en dihydroacétone-phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) catalysée par l’aldolase. L’aldolase produit GAP et DHAP, mais seulement GAP est utilisé par les réactions suivantes :
5. Il faut donc transformer DHAP en GAP : Cette isomérisation est catalysée par triosephosphate-isomérase.
6. Réaction de phosphorylation du glycéraldéhyde-3-phosphate en 1,3- biphosphoglycérate catalysée par la glycéraldéhyde-3-phosphate-déshydrogénase.
Cet enzyme catalyse la première étape dans laquelle de l’énergie est extraite du substrat et stockée dans un co-facteur. Dans ce cas il s’agit de pouvoir réducteur et pas d’ATP. En présence d’oxygène la respiration peut transformer l’énergie redox associé au NADH,H en énergie associée à la liaison phosphate de l’ATP. La réaction d’oxydation de l’aldéhyde par le NAD est exergonique. Elle est couplée à la réaction avec Pi qui forme une liaison à fort contenu d’énergie. Cette liaison sera plustard transférée à l’ADP pour former ATP.
7. L’enzyme Phosphoglycérate-Kinase (PGK) catalyse une réaction exergonique qui utilise comme substrat le 1,3 BPG pour réaliser la phosphorylation de l’ADP en ATP (réaction couplée).
8. Réaction de mutation du 3-phosphoglycérate en 2-phosphoglycérate catalysée par la phosphoglycéromutase.
9. Réaction de déshydrogénation du 2-phosphoglycérate en phosphoénolpyruvate catalysée par une phosphoénolpyruvate-hydratase ou énolase. Cette réaction relargue une molécule d’H2O.
10. Dans la dernière étape de la chaine, catalysée par la pyruvate-Kinase, se forme du pyruvate et de l’ATP.
Le bilan global de la glycolyse est :
Figure 8 : Vue d’ensemble de la glycolyse.
Régulation de la glycolyse :
Dans les voies métaboliques, les enzymes qui catalysent des réactions irréversibles sont des sites potentiels de contrôle. Au niveau de la glycolyse, on met en évidence essentiellement trois réactions irréversibles :
• La réaction de transphosphorylation du glucose en G6P catalysée par l’hexokinase.
Cet enzyme est inhibé par le G6P et activée par l’excès d’hydrate de carbone.
• La réaction de transphosphorylation du fructose 6-P en fructose 1,6 diphosphate catalysée par la 6-phosphofructokinase. Cette enzyme est inhibée par l’ATP, le citrate et H+, et est activé par l’AMP, ADP et l’excès d’hydrate de carbone.
• La réaction de transphosphorylation de l’acide phospho-énol-pyruvate en acide énol- pyruvique catalysée par la pyruvate-kinase. Cette enzyme est inhibée par le pyruvate, citrate, l’ATP et le NADH, H+…activée par l’excès d’hydrate de carbone, fructose-1- 6-biphosphate.
Au final 2 molécules d’ATP ont été produite pour 1 molécule de glucose. Ce bilan est faible comparé aux autres étapes de la respiration cellulaire. Cette étape de glycolyse produit du pyruvate qui sera par la suite consommé par le cycle de Krebs en aérobiose (présence d’oxygène), après passage dans une mitochondrie.
Remarque : Le pyruvate peut prendre d’autres voies cataboliques, cela dépend de
l’équipement enzymatique des cellules et des conditions métaboliques dans lesquelles elles se trouvent (Figure 9).
Figure 9 : Devenir du pyruvate, produit de la glycolyse.
b) Le cycle de Krebs :
Le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique (citrate) est au centre du métabolisme cellulaire. Il se déroule dans la matrice de la mitochondrie en aérobiose. Il se produit une oxydation du pyruvate qui permet la formation de 10 composés réduits NADH. Le pyruvate subit aussi une décarboxylation (retrait des atomes de carbones) totale qui conduit à la libération de CO2, déchet de la respiration.
Le lien entre la glycolyse et le cycle de l`acide citrique est la décarboxylation oxydative du pyruvate en Acétyl-COA qui se déroule dans la matrice mitochondriale, c’est une réaction irréversible catalysée par le complexe multienzymatique de la pyruvate déshydrogénase (PDH).
Le transport du pyruvate dans la mitochondrie écarte le composé de l’équilibre cytosolique.
Une fois converti en acétyl-CoA, il n’y a alors plus de retour possible vers le glucose.
Pyruvate + NAD+ + CoA Acétyl-CoA + NADH + H+ + CO2
La conversion du pyruvate en acétyl-CoA est régulée non seulement allostériquement, mais encore par phosphorylation réversible (interconversion). Dans le premier cas, des composés mitochondriaux sont des effecteurs efficaces du processus de régulation. La deuxième possibilité de régulation est la phosphorylation/ déphosphorylation de la PDH.
Les différentes étapes du cycle de Krebs (Fig. 10) :
Le cycle est composé de 9 grandes étapes, faisant intervenir 8 enzymes :
1. Réaction de condensation de l’acétyl-CoA et de l’oxaloacétate en citrate catalysée par la citrate-synthase. Cette réaction nécessite une molécule d’H2O et relargue une molécule de CoA-SH.
2. Réaction d’isomérisation du citrate en isocitrate catalysée par l’aconitase.
3. Réaction de déshydrogénation de l’isocitrate en oxalosuccinate catalysée par l’isocitrate- déshydrogénase. Cette réaction permet la formation de NADH, H+ à partir de NAD+.
4. Réaction de β-décarboxylation non oxydative de l’oxalosuccinate en α-cétoglutarate. Cette réaction entraîne un dégagement de CO2.
5. Réaction de α-décarboxylation oxydative de l’α-cétoglutarate en succinyl-CoA catalysée par l’α cétoglutarate-déshydrogénase. Cette réaction nécessite une molécule de CoA-SH et entraîne un dégagement de CO2 ; elle permet également la formation de NADH, H+ à partir de NAD+.
6. Réaction de transphosphorylation du succiny-CoA en succinate catalysée par la succinate- thiokinase. Cette réaction nécessite une molécule de phosphate et relargue une molécule de CoA-SH ; elle permet également la formation de GTP à partir de GDP.
7. Réaction de déshydrogénation du succinate en fumarate catalysée par la succinate- déshydrogénase. Cette réaction permet la formation de FADH2 à partir de FAD.
8. Réaction d’hydratation du fumarate en malate catalysée par la fumarase. Cette réaction nécessite une molécule d’H2O.
9. Réaction de déshydrogénation du malate en oxaloacétate catalysée par la malatedéshydrogénase. Cette réaction permet la formation de NADH, H+ à partir de NAD+.
Figure 10 : Les étapes du cycle de Krebs.
Bilan du cycle de Krebs
Un tour de cycle, c’est-à-dire l’utilisation d’une molécule d’acétylcoenzyme A permet la formation :
• 3 NADH, H+ qui permettront théoriquement la formation de 3 ATP chacun au niveau de la chaîne respiratoire (2,5 ATP en réalité), et donc au total la formation de 9 ATP (7,5 ATP en réalité).
• 1 FADH2 qui permettra théoriquement la formation de 2 ATP au niveau de la chaîne respiratoire (1,5 ATP en réalité).
• 1 ATP.
Acétyl CoA + 3 NAD+ + FAD+ + GDP (ou ADP) + Pi + 2 H2O ---> CoASH + 3 NADH + FADH2 + GTP (ou ATP) + 2 CO2 + 2 H+
De cette manière une molécule d’acétylcoenzyme a permet la formation théorique de 12 ATP (10 ATP en réalité).
Régulation du cycle de Krebs
Trois réactions du cycle de Krebs sont irréversibles. Ces réactions sont catalysées par des enzymes à régulation allostérique. Pour ces 2 raisons (énergétique et catalytique), ces trois réactions constituent des points de contrôle du flux global du cycle de Krebs. Ces enzymes sont :
• Le citrate synthase qui catalyse la première réaction du cycle de Krebs. Le citrate inhibiteur compétitif de l´oxaloacetate
• L’isocitrate déshydrogénase. Cette enzyme est inhibée par l’excès d’ATP et NADH+ et activée par le NAD et le FAD.
• Le complexe de l'α-cétoglutarate déshydrogénase qui catalyse une réaction, analogue à celle du complexe de la pyruvate déshydrogénase. Cette enzyme est activée par le calcium.
Elle est inhibée par le succinyl-CoA et le NADH.
D’autre part la régénération d’oxaloacétate est nécessaire pour que le cycle de Krebs fonctionne à flux constant. En effet l’oxaloacétate joue un rôle dans un certain nombre de métabolisme, son apport régulier au cycle de Krebs est permis par les acides aminés.
Remarque :
Le cycle de Krebs est d’une part un carrefour du métabolisme énergétique et d’autre part le point de départ de nombreuses biosynthèses : acides aminés, glucose et acides gras.
c) La chaine respiratoire (phosphorylation oxydative) :
La chaîne respiratoire correspond à une association de complexes protéiques présents au sein de la membrane interne de la mitochondrie et responsable, avec l’ATP synthétase, de la phosphorylation oxydative. Ce processus associe l’oxydation du NADH et du FADH2 à la production d’ATP et ceci grâce à la formation d’un gradient de protons (Fig 11).
Remarque : Il y a 12 RH2 : 10 provenant du cycle de Krebs et 2 de la glycolyse.
Figure 11 : La phosphorylation oxydative.
Bilan de la respiration cellulaire :
A partir d’une molécule de glucose, la glycolyse a permis de synthétiser 4 ATP, le cycle de Krebs 2 et la chaine respiratoire 32.
Nous avons donc un total de 38 ATP moins les 2 ATP utilisés par la glycolyse soit 36 ATP.
C6H12O6+ 6O2+6H2O+36 ADP+36 Pi 6 CO2+12H2O+36 ATP
2. Métabolisme lipidique
La lipogenèse
C’est la synthèse d’acides gras ou plus exactement d’acyl-CoA, la forme intracellulaire
(activée) des acides gras, à partir de carbones dérivés des glucides et en particulier du glucose.
Chez les plantes, La synthèse des acides gras s’effectue dans le stroma des chloroplastes des tissus photosynthétiques ou dans les leucoplastes pour les tissus non photosynthétiques. Elle est dépendante de l’approvisionnement du chloroplaste en substrats carbonés provenant de la glycolyse : le pyruvate, qui est transformé en acétylcoenzyme-A via la pyruvate
déshydrogénase.
• Les étapes de lipogenèse :
Comme présenté sur la Figure 12, sous l’action d’acetyl-coa carboxylases (ACCases), l’acétyl- CoA subit une carboxylation irréversible pour former du malonyl-CoA. Le groupement malonyl est transféré par la MCMT (malonyl-coa : acp malonyltransferase) à une protéine acyl carrier (ACP) ce qui donne du malonyl ACP. Le malonyl ACP est le principal substrat du complexe multienzymatique de l’acide gras synthase de type II (FASII). Le complexe FASII catalyse la condensation répétée de groupements malonyl-ACP sur l’acyl-ACP, permettant au final le transfert de 2 carbones à chaque cycle. Chaque cycle est composé de quatre réactions.
La première étape est catalysée par la première enzyme du complexe FASII, la ketoaccyl-acp synthase iii (KASIII) qui condense un acétyl-CoA avec un malonyl-ACP pour former, suite à une décarboxylation, une molécule de 3-ketoacyl-ACP à 4 carbones. Ce produit est réduit en alcool par la ketoacyl-acp reductase (KAR), NADPH-dépendante. La synthèse d’un groupement acyl saturé est ensuite réalisée par l’action successive de la hydroxyacyl-acp deshydratase (HAD) et de l’enoyl-acp reductase (ER). Ce groupement acyl est transféré sur un ACP libre par l’ACP acyltransferase. Puis une deuxième molécule de malonyl-ACP est condensée à l’acyl-ACP précédemment formé (cette fois-ci par KAS I) et le cycle recommence.
De cette manière, à chaque cycle deux carbones sont ajoutés. KASI catalyse les réactions des molécules de C4 en C16 puis c’est KASII qui synthétise le 18:0-ACP à partir du 16:0-ACP.
Sept cycles sont nécessaires pour la synthèse du palmitate (C16:0) et huit pour l’acide stéarique (C18:0). Une stearoyl-acp ∆9 desaturase intervient ensuite pour catalyser la désaturation du C18:0-ACP en C18:1-ACP.
Les AG synthétisés au niveau du chloroplaste sont exportés aux différents organites cellulaires, soit pour participer à la synthèse des lipides au niveau du réticulum endoplasmique, ou bien ils vont subir une dégradation (lipolyse) au niveau du peroxysome (Fig. 13).
Remarque :
La lipolyse appelé aussi la β-oxydation représente la voie majeure de dégradation des acides gras en acétyl-CoA.
Figure 12 : Synthèse et élongation des acides gras dans le stroma du chloroplaste.
PDH : PYRUVATE DESHYDROGENASE, ACCase: ACETYL-CoA CARBOXYLASE, MCMT : MALONYL-COA : ACP MALONYLTRANSFERASE, KASIII : KETOACYLACP SYNTHASE III, KAR : KETOACYL-ACP REDUCTASE, HAD : HYDROXYACYL-ACP DESHYDRATASE, ER : ENOYL-ACP REDUCTASE, KASII : KETOACYL-ACP SYNTHASE II, KAS I : KETOACYL-ACP SYNTHASE I. Le nombre d’atomes de carbone de chaque molécule est représenté en bleu.
Figure 13 : Flux des acides gras dans une cellule végétale.
Les acides gras sont synthétisés dans le stroma des chloroplastes et exportés vers le cytosol (1) où ils sont complexés à une molécule de coenzyme A et rejoignent le pool d’acyl-CoA. Ils peuvent être internalisés par le réticulum endoplasmique (2) et participer à la synthèse des glycérolipides membranaires de la voie eucaryote (3). Ils sont aussi utilisés pour la synthèse des glycérolipides de réserves (5) et des biopolymères comme les cires (6). C’est également dans le réticulum endoplasmique qu’ils subissent des modifications (maturations), comme l’ajout de doubles liaisons (4). Une fois modifiés, ils peuvent rejoindre le pool cytosolique d’acyl-CoA (2) et participer à la synthèse des glycérolipides membranaires du chloroplaste (7). La dégradation des molécules de TAG libère des acides gras (8). Les acyl-CoA peuvent être dégradés par le peroxysome qui libère de l’acétyl-CoA, disponible pour d’autres synthèses et alimenter la respiration (9). PC : phosphatidylcholine, TAG : triacylglycérol.
