Métabolisme. Processus de base du métabolisme cellulaire

Principes de régulation des voies métaboliques

Toutes les réactions chimiques dans une cellule se produisent avec la participation d'enzymes. Par conséquent, pour influencer le taux d’une voie métabolique, il suffit de réguler la quantité ou l’activité des enzymes. En règle générale, les voies métaboliques contiennent des enzymes clés qui régulent la vitesse de l’ensemble de la voie. Ces enzymes (une ou plusieurs dans une voie métabolique) sont appelées enzymes régulatrices ; ils catalysent, en règle générale, les réactions initiales d'une voie métabolique, les réactions irréversibles, les réactions limitantes (les plus lentes) ou les réactions au point de commutation de la voie métabolique (points de branchement).

La régulation de la vitesse des réactions enzymatiques s'effectue à 3 niveaux indépendants :

• · modification du nombre de molécules d'enzymes ;
• Disponibilité du substrat et des molécules de coenzyme ;
• · modification de l'activité catalytique de la molécule enzymatique.

Régulation de l'activité catalytique enzymatique

Le rôle le plus important dans la modification de la vitesse des voies métaboliques est la régulation de l’activité catalytique d’une ou plusieurs enzymes clés d’une voie métabolique donnée. C’est un moyen très efficace et rapide de réguler le métabolisme.

Les principaux moyens de réguler l'activité enzymatique :

• régulation allostérique;
• · régulation via des interactions protéine-protéine ;
• · régulation par phosphorylation/déphosphorylation de la molécule enzymatique ;
• · régulation par protéolyse partielle (limitée).

Régulation allostérique

Les enzymes allostériques sont des enzymes dont l'activité est régulée non seulement par le nombre de molécules de substrat, mais également par d'autres substances appelées effecteurs. Les effecteurs impliqués dans la régulation allostérique sont des métabolites cellulaires, souvent issus de la voie même qu'ils régulent.

Les enzymes allostériques jouent un rôle important dans le métabolisme, car elles réagissent extrêmement rapidement aux moindres changements dans l'état interne de la cellule. La régulation allostérique est d'une grande importance dans les situations suivantes :

• · pendant les processus anabolisants. L'inhibition par le produit final de la voie métabolique et l'activation par les métabolites initiaux permettent de réguler la synthèse de ces composés ;
• · pendant les processus cataboliques. Lorsque l’ATP s’accumule dans la cellule, les voies métaboliques qui assurent la synthèse énergétique sont inhibées. Dans ce cas, les substrats sont utilisés pour des réactions de stockage des nutriments de réserve ;
• · coordonner les voies anabolisantes et cataboliques. L'ATP et l'ADP sont des effecteurs allostériques qui agissent comme des antagonistes ;
• · coordonner des voies métaboliques parallèles et interconnectées (par exemple, la synthèse de nucléotides purines et pyrimidines utilisés pour la synthèse des acides nucléiques). Ainsi, les produits finaux d’une voie métabolique peuvent être des effecteurs allostériques d’une autre voie métabolique.

Effecteurs allostériques. Un effecteur qui provoque une diminution (inhibition) de l’activité enzymatique est appelé effecteur négatif ou inhibiteur. Un effecteur qui provoque une augmentation (activation) de l’activité enzymatique est appelé effecteur positif ou activateur.

Divers métabolites servent souvent d'effecteurs allostériques. Les produits finaux de la voie métabolique sont souvent des inhibiteurs des enzymes allostériques et les substances de départ sont des activateurs. C'est ce qu'on appelle la régulation hétérotrope. Ce type de régulation allostérique est très courant dans les systèmes biologiques.

Un cas plus rare de régulation allostérique est celui où le substrat lui-même peut agir comme effecteur positif. Une telle régulation est dite homotrope (effecteur et substrat sont la même substance). Ces enzymes possèdent de multiples sites de liaison au substrat qui peuvent remplir une double fonction : catalytique et régulatrice. Les enzymes allostériques de ce type sont utilisées dans les situations où le substrat s'accumule en excès et doit être rapidement transformé en produit.

Les enzymes à régulation allostérique peuvent être identifiées en étudiant la cinétique de ces enzymes.

Caractéristiques de la structure et du fonctionnement des enzymes allostériques :

il s'agit généralement de protéines oligomères constituées de plusieurs protomères ou présentant une structure en domaines ;

ils présentent un centre allostérique spatialement éloigné du centre actif catalytique ;

les effecteurs s'attachent à l'enzyme de manière non covalente au niveau des centres allostériques (régulateurs) ;

Les centres allostériques, comme les centres catalytiques, peuvent présenter différentes spécificités par rapport aux ligands : elles peuvent être absolues ou de groupe. Certaines enzymes possèdent plusieurs centres allostériques, dont certains sont spécifiques aux activateurs, d'autres aux inhibiteurs.

le protomère sur lequel se situe le centre allostérique est un protomère régulateur, contrairement au protomère catalytique contenant le centre actif dans lequel se déroule la réaction chimique ;

les enzymes allostériques ont la propriété de coopérativité : l'interaction d'un effecteur allostérique avec un centre allostérique provoque un changement coopératif séquentiel dans la conformation de toutes les sous-unités, conduisant à un changement dans la conformation du centre actif et à un changement dans l'affinité de l'enzyme pour le substrat, qui réduit ou augmente l'activité catalytique de l'enzyme ;

la régulation des enzymes allostériques est réversible : le détachement de l'effecteur de la sous-unité régulatrice restaure l'activité catalytique originelle de l'enzyme ;

les enzymes allostériques catalysent les réactions clés de cette voie métabolique.

Figure 3. Schéma expliquant le fonctionnement d'une enzyme allostérique. A - action d'un effecteur négatif (inhibiteur) ; B - action d'un effecteur positif (activateur).

Localisation des enzymes allostériques dans la voie métabolique.

La vitesse des processus métaboliques dépend de la concentration des substances utilisées et formées dans une chaîne de réactions donnée. Une telle régulation semble logique, puisque lorsque le produit final s'accumule, il (le produit final) peut agir comme un inhibiteur allostérique de l'enzyme qui catalyse le plus souvent l'étape initiale de cette voie métabolique :

L'enzyme qui catalyse la conversion du substrat A en produit B possède un site allostérique pour un effecteur négatif, qui est le produit final de la voie métabolique F. Si la concentration de F augmente (c'est-à-dire que la substance F est synthétisée plus rapidement qu'elle n'est consommée ), l'activité d'une des enzymes initiales est inhibée. Cette régulation est appelée rétroaction négative ou rétroinhibition. La rétroaction négative est un mécanisme courant de régulation du métabolisme cellulaire.

Dans les voies métaboliques centrales, les précurseurs peuvent être des activateurs d’enzymes clés de la voie métabolique. En règle générale, les enzymes qui catalysent les réactions clés des étapes finales de la voie métabolique sont soumises à une activation allostérique :

A titre d'exemple, on peut considérer les principes de régulation de la glycolyse, une voie spécifique (initiale) de dégradation du glucose (Fig. 4). L'un des produits finaux de la dégradation du glucose est la molécule d'ATP. Lorsqu’il y a un excès d’ATP dans la cellule, une rétroinhibition des enzymes allostériques phosphofructokinase et pyruvate kinase se produit. Lorsqu'une grande quantité de fructose-1,6-bisphosphate est formée, une activation allostérique de l'enzyme pyruvate kinase est observée.

Figure 4. Schéma de régulation positive et négative du catabolisme du glucose.

La molécule ATP est impliquée dans la rétroinhibition des enzymes allostériques phosphofructokinase et pyruvate kinase. Le fructose-1,6-bisphosphate est un activateur de la voie métabolique de dégradation du glucose. Les avantages indiquent une activation, les inconvénients indiquent une inhibition des enzymes.

Grâce à cette régulation, la voie métabolique de dégradation du glucose est coordonnée.

Trois types de mécanismes interviennent dans la régulation des voies métaboliques. Le premier d'entre eux, qui réagit le plus rapidement à tout changement de situation, est associé à l'action d'enzymes allostériques (Fig. 13-15), dont l'activité catalytique peut changer sous l'influence de substances spéciales qui ont un effet stimulant ou effet inhibiteur (ils sont appelés effecteurs ou modulateurs ; section 9.18 ).

En règle générale, les enzymes allostériques occupent une place au début ou près du début d'une séquence multienzymatique donnée et catalysent cette étape qui limite la vitesse de l'ensemble du processus dans son ensemble ; Habituellement, le rôle d'une telle étape est joué par une réaction pratiquement irréversible.

Riz. 13-15. Régulation de la voie catabolique par type de rétroaction, c'est-à-dire due à l'inhibition de l'enzyme allostérique par le produit final de ce processus. Les lettres J, K, L, etc. indiquent les produits intermédiaires de cette voie métabolique, et les lettres E1, E2, E3, etc., indiquent les enzymes qui catalysent les différentes étapes. La première étape est catalysée par une enzyme allostérique (ED) qui est inhibée par le produit final de cette séquence de réaction. L'inhibition allostérique est indiquée par une flèche rouge brisée qui relie le métabolite inhibiteur à la réaction catalysée par l'enzyme allostérique. (catalysée par l'enzyme EJ, il s'agit généralement d'une réaction pratiquement irréversible dans des conditions cellulaires.

Dans les processus cataboliques accompagnés de la synthèse d'ATP à partir d'ADP, ce produit final, l'ATP, agit souvent comme un inhibiteur allostérique de l'une des premières étapes du catabolisme. Un inhibiteur allostérique de l'un des premiers stades de l'anabolisme est souvent le produit final de la biosynthèse, par exemple un acide aminé (Section 9.18). L'activité de certaines enzymes allostériques est stimulée par des modulateurs positifs spécifiques. Une enzyme allostérique qui régule l'une des séquences de réactions cataboliques peut, par exemple, être soumise à l'influence stimulante de modulateurs positifs, l'ADP ou l'AMP, et à l'effet inhibiteur d'un modulateur négatif, l'ATP. Il existe également des cas où une enzyme allostérique d'une voie métabolique réagit de manière spécifique aux produits intermédiaires ou finaux d'autres voies métaboliques. Grâce à cela, il est possible de coordonner la vitesse d'action de différents systèmes enzymatiques.

Le deuxième type de mécanismes qui régulent le métabolisme dans les organismes supérieurs est la régulation hormonale (Fig. 13-16). Les hormones sont des substances chimiques spéciales (« messagers ») chimiques produites par diverses glandes endocrines et libérées directement dans le sang ; ils sont transportés par le sang vers d'autres tissus ou organes et stimulent ou inhibent ici certains types d'activité métabolique. L'hormone épinéphrine, par exemple, est sécrétée par la médullosurrénale et transportée par le sang jusqu'au foie, où elle stimule la dégradation du glycogène en glucose, ce qui provoque une augmentation du taux de sucre dans le sang. De plus, l'adrénaline stimule la dégradation du glycogène dans les muscles squelettiques ; ce processus conduit à la formation de lactate et au stockage d'énergie sous forme d'ATP. L'épinéphrine produit ces effets en se fixant à des sites récepteurs spécifiques à la surface des cellules musculaires ou des cellules hépatiques.

La liaison de l'adrénaline sert de signal ; ce signal est transmis aux parties internes de la cellule et provoque ici une modification covalente, sous l'influence de laquelle la glycogène phosphorylase (la première enzyme du système qui catalyse la conversion du glycogène en glucose et autres produits ; section 9.22) passe d'un forme moins active à une forme plus active (Fig. 13-16 ).

Le troisième type de mécanismes régulant le métabolisme est associé à des modifications de la concentration de cette enzyme dans la cellule. La concentration de toute enzyme à un moment donné est déterminée par le rapport entre les taux de synthèse et de désintégration. Le taux de synthèse de certaines enzymes augmente fortement dans certaines conditions ; En conséquence, la concentration de cette enzyme dans la cellule augmente. Si, par exemple, un animal reçoit une alimentation riche en glucides mais pauvre en protéines, son foie contient des niveaux extrêmement faibles d'enzymes qui, dans des conditions normales, catalysent la dégradation des acides aminés en acétyl-CoA. Étant donné que ces enzymes ne sont pratiquement pas nécessaires avec un tel régime, elles ne sont pas produites en grande quantité. Cela vaut cependant la peine de faire passer l'animal à une alimentation riche en protéines, et en une journée, la teneur en enzymes de son foie augmentera sensiblement, ce qui sera désormais nécessaire pour décomposer les acides aminés digestibles.

Riz. 13-16. Régulation hormonale des réactions enzymatiques. À la suite de la fixation de l'hormone adrénaline à des récepteurs spécifiques situés à la surface des cellules hépatiques, un adénylate cyclique se forme avec la participation d'une enzyme liée à la membrane (adénylate cyclase). Ce dernier fonctionne comme un activateur allostérique, ou médiateur intracellulaire, sous l'influence duquel la glycogène phosphorylase passe d'une forme inactive à une forme active, ce qui entraîne une accélération de la conversion du glycogène hépatique en glucose sanguin. Cette voie métabolique est décrite en détail au Chap. 25.

Riz. 13-17. Induction enzymatique. Une concentration intracellulaire élevée de substrat A peut stimuler la biosynthèse des enzymes E1, E2 et E3. Le contenu de ces enzymes dans la cellule augmente et crée ainsi la possibilité d'accélérer ces réactions, ce qui entraîne l'élimination de l'excès de substrat A. Un excès de substrat A sert donc de signal au noyau cellulaire, l’obligeant à « activer » les gènes qui contrôlent la formation des enzymes El, E2 et E3. L'inclusion de gènes signifie la synthèse de l'ARN messager correspondant ; il pénètre dans les ribosomes et, par conséquent, la synthèse des enzymes E1, E2 et E3 s'y déroule.

Les cellules hépatiques ont donc la capacité d’activer ou de désactiver la biosynthèse d’enzymes spécifiques, en fonction de la nature des nutriments qui y pénètrent. Ce phénomène est appelé induction enzymatique (Fig. 13-17).

Chez les organismes vivants qui sont en contact et en échange constants avec l'environnement, des changements chimiques continus se produisent qui constituent leur métabolisme (nombreuses réactions enzymatiques). L'ampleur et la direction des processus métaboliques sont très diverses. Exemples:

a) le nombre de cellules d'E. coli dans une culture bactérienne peut doubler des 2/3 en 20 minutes dans un milieu simple contenant du glucose et des sels inorganiques. Ces composants sont absorbés, mais seuls quelques-uns sont libérés dans l'environnement par la cellule bactérienne en croissance et se composent d'environ 2,5 mille protéines, 1 mille composés organiques, divers acides nucléiques en quantité de 10 à 3 * 10 molécules. Il est évident que ces cellules participent à une performance biologique grandiose dans laquelle un très grand nombre de biomolécules nécessaires à la croissance cellulaire sont régulièrement fournies. Non moins impressionnant est le métabolisme d'un adulte, qui conserve le même poids et la même composition corporelle pendant environ 40 ans, bien que pendant cette période il consomme environ 6 tonnes d'aliments solides et 37 850 litres d'eau. Toutes les substances présentes dans le corps sont converties (du complexe en simple et vice versa) par les 2/3 d'une série de composés séquentiels, chacun d'eux étant appelé métabolite. Chaque transformation est une étape du métabolisme.

L’ensemble de ces étapes successives catalysées par des enzymes individuelles est appelé voie métabolique. Le métabolisme est formé de l'ensemble des voies métaboliques figuratives et de leur fonctionnement articulaire. Celle-ci s'effectue de manière séquentielle et non chaotique (synthèse d'acides aminés, dégradation du glucose, des acides gras, synthèse de bases puriques). On sait très peu de choses, donc le mécanisme d'action des substances médicinales est très transparent !!!

L'ensemble de la voie métabolique est généralement contrôlé par les première et deuxième étapes du métabolisme (facteur limitant, enzymes à centre allostérique - régulateur).

Ces étapes sont appelées clés, et les métabolites à ces étapes sont appelés métabolites clés.

Les métabolites situés sur les voies métaboliques croisées sont appelés métabolites ganglionnaires.

Il existe des voies métaboliques cycliques : a) généralement une autre substance est impliquée et disparaît ; b) la cellule se débrouille avec une petite quantité de métabolites - économie. Voies de contrôle pour la conversion des nutriments essentiels

Albinisme Goitre endémique

pigment homogène. Société Thyroxine

mélanine

Alcapturie

dioxyde de carbone et eau

Régulation du métabolisme

Chaque réaction se produit à une vitesse adaptée aux besoins de la cellule (cellules « intelligentes » !). Ces spécifiques déterminent la régulation du métabolisme.

I. Régulation du taux d'entrée des métabolites dans la cellule (le transport est influencé par les molécules d'eau et le gradient de concentration).

a) simple diffusion (par exemple eau)

b) transport passif (pas de consommation d'énergie, par exemple pentoses)

c) transport actif (système de transport, ATP)

II. Contrôle de la quantité de certaines enzymes Suppression de la synthèse enzymatique par le produit final du métabolisme. Ce phénomène représente un contrôle grossier du métabolisme, par exemple, la synthèse des enzymes qui synthétisent le GIS est supprimée en présence de GIS dans le milieu de culture bactérien. Contrôle brutal - car il est mis en œuvre sur une longue période de temps pendant que les molécules d'enzyme finies sont détruites. Induction d'une ou plusieurs enzymes par des substrats (augmentation de la concentration d'une enzyme spécifique). Chez les mammifères, un phénomène similaire est observé plusieurs heures ou jours plus tard en réponse à un inducteur.

III. Contrôle de l'activité catalytique a) modification covalente (chimique) b) modification allostérique liaisons (+/-) La modulation de l'activité par une enzyme déjà présente est principalement une régulation allostérique (homo-, hétéro-, homohétéroenzymes) ou l'action d'activateurs - c'est un mécanisme de régulation subtil, donc comment il agit instantanément en réponse aux changements de l'environnement intracellulaire. Ces mécanismes de régulation sont efficaces aux niveaux cellulaire et subcellulaire, aux niveaux intercellulaires et organiques de régulation effectuée par les hormones, les neurotransmetteurs, les médiateurs intracellulaires et les prostaglandines.

Voies métaboliques:

1) catabolique

2) anabolisant

3) amphobolytique (lie les deux premiers)

Catabolisme- une séquence de réactions enzymatiques, à la suite de laquelle la destruction se produit principalement en raison des réactions d'oxydation de grosses molécules (glucides, protéines, lipides, acides nucléiques) avec formation de lumière (acides lactique et acétique, dioxyde de carbone et eau) et la libération d'énergie contenue dans les liaisons covalentes de divers composés, une partie de l'énergie est stockée sous forme de liaisons à haute énergie, qui sont ensuite utilisées pour le travail mécanique, le transport de substances et la biosynthèse de grosses molécules.

Il y a trois étapes du catabolisme :

Étape I – Digestion. Les grosses molécules alimentaires sont décomposées en éléments constitutifs sous l'influence des enzymes digestives du tractus gastro-intestinal, et 0,5 à 1 % de l'énergie contenue dans les liaisons est libérée.

Étape II - Unification. Un grand nombre de produits formés à l'étape 1 donnent à l'étape 2 des produits plus simples, dont le nombre est faible, et environ 30 % de l'énergie est libérée. Cette étape est également précieuse car la libération d’énergie à ce stade donne lieu à la synthèse d’ATP dans des conditions sans oxygène (anaérobie), ce qui est important pour l’organisme dans des conditions hypoxiques.

Stade III - Cycle de Krebs. (acides tricarboxyliques/acide citrique). Il s'agit essentiellement du processus de conversion d'un composé à deux carbones (acide acétique) en 2 moles de dioxyde de carbone, mais ce chemin est très complexe, cyclique, multienzymatique, principal fournisseur d'électrons de la chaîne respiratoire et, par conséquent, d'ATP. molécules en cours de phosphorylation oxydative. Presque toutes les enzymes du cycle sont situées à l'intérieur des mitochondries, de sorte que les donneurs d'électrons du cycle TCA donnent librement des électrons directement à la chaîne respiratoire du système membranaire mitochondrial.

Schéma du cycle de l'acide tricarboxylique.

Succinyl CoA - contient une liaison thioester à haute énergie qui peut être transformée en une liaison GTP à haute énergie (phosphorylation du substrat).

FAD - transfère les électrons au CoQ de la chaîne respiratoire : électron

isocitrate d'eau alpha-cétoglutarate

alpha-cétoglutarate succinyl CoA CO2

En plus de tout, le cycle TCA est en même temps la 1ère étape de l’anabolisme.

1) divers systèmes enzymatiques.

2) la localisation des processus est différente (par exemple, l'oxydation des acides gras se produit dans les mitochondries et la synthèse se produit dans le cytoplasme).

3) divers mécanismes de régulation allostérique et génétique.

4) composition qualitative différente des produits finaux de l'anabolisme.

5) dépense énergétique pendant l'anabolisme et libération pendant le catabolisme

Il existe également des voies amphiboliques dans le corps (le processus de décomposition et le processus de synthèse se produisent simultanément). Le plus large:

a) glycolyse du phosphotriose acétyl CoA

b) TCA acétyl CoA CO2 + H2O

La panne a été démontée, mais divers composés peuvent être formés à partir de nombreux produits du cycle du TCA :

A) acide oxaloacétique asp, asn, glu

B) alpha-cétoglutarate glu, gln, glu

B) acide citrique dans le cytoplasme acétyl CoA

acide gras,

stéroïdes

D) hème succinyl CoA

BIOCHIMIE DYNAMIQUE

ChapitreIV.8.

Métabolisme et énergie

Métabolisme ou métabolisme - un ensemble de réactions chimiques dans le corps qui lui fournissent les substances et l'énergie nécessaires à la vie. Dans le métabolisme, on distingue deux étapes principales : préparatoire - lorsqu'une substance reçue par voie alimentaire subit des transformations chimiques, à la suite desquelles elle peut pénétrer dans le sang puis pénétrer dans les cellules, et le métabolisme lui-même, c'est-à-dire transformations chimiques de composés ayant pénétré dans les cellules.

Voie métabolique - c'est la nature et la séquence des transformations chimiques d'une substance particulière dans le corps. Les produits intermédiaires formés au cours du processus métabolique sont appelés métabolites, et le dernier composé de la voie métabolique est le produit final.

Le processus de décomposition de substances complexes en substances plus simples est appelé catabolisme. Ainsi, les protéines, les graisses et les glucides contenus dans les aliments sont décomposés en composants plus simples (acides aminés, acides gras et monosaccharides) sous l’action d’enzymes du tube digestif. Cela libère de l’énergie. Le processus inverse, c'est-à-dire la synthèse de composés complexes à partir de composés plus simples, est appelé anabolisme . Cela s’accompagne d’une dépense d’énergie. À partir des acides aminés, des acides gras et des monosaccharides formés à la suite de la digestion, de nouvelles protéines cellulaires, phospholipides membranaires et polysaccharides sont synthétisés dans les cellules.

Il y a une notion amphibolisme lorsqu'un composé est détruit, mais qu'un autre est synthétisé.

Cycle métabolique est une voie métabolique dans laquelle l'un des produits finaux est identique à l'un des composés impliqués dans ce processus.

Une voie métabolique particulière est un ensemble de transformations d’un composé spécifique (glucides ou protéines). La voie métabolique générale est celle où deux ou plusieurs types de composés sont impliqués (les glucides, les lipides et partiellement les protéines sont impliqués dans le métabolisme énergétique).

Substrats métaboliques - les composés fournis avec de la nourriture. Parmi eux, il existe des nutriments principaux (protéines, glucides, lipides) et des nutriments mineurs, présents en petites quantités (vitamines, minéraux).

L'intensité du métabolisme est déterminée par le besoin de la cellule en certaines substances ou énergie ; la régulation s'effectue de quatre manières :

1) La vitesse de réaction totale d'une voie métabolique particulière est déterminée par la concentration de chacune des enzymes dans cette voie, la valeur du pH de l'environnement, la concentration intracellulaire de chacun des produits intermédiaires et la concentration de cofacteurs et de coenzymes.

2) L'activité des enzymes régulatrices (allostériques), qui catalysent généralement les étapes initiales des voies métaboliques. La plupart d'entre eux sont inhibés par le produit final de cette voie et ce type d'inhibition est appelé « feedback ».

3) Contrôle génétique qui détermine le taux de synthèse d'une enzyme particulière. Un exemple frappant est l’apparition d’enzymes inductibles dans une cellule en réponse à l’apport d’un substrat correspondant.

4) Régulation hormonale. Un certain nombre d’hormones peuvent activer ou inhiber de nombreuses enzymes dans les voies métaboliques.

Les organismes vivants sont des systèmes thermodynamiquement instables. Pour leur formation et leur fonctionnement, un approvisionnement continu en énergie est nécessaire sous une forme adaptée à une utilisation multiforme. Pour obtenir de l'énergie, presque tous les êtres vivants de la planète se sont adaptés pour hydrolyser l'une des liaisons pyrophosphate de l'ATP. À cet égard, l'une des tâches principales de la bioénergétique des organismes vivants est la reconstitution de l'ATP utilisé à partir de l'ADP et de l'AMP.

La principale source d’énergie de la cellule est l’oxydation des substrats avec l’oxygène de l’air. Ce processus se produit de trois manières : l'ajout d'oxygène à l'atome de carbone, l'abstraction d'hydrogène ou la perte d'un électron. Dans les cellules, l'oxydation se produit sous la forme d'un transfert séquentiel d'hydrogène et d'électrons du substrat vers l'oxygène. Dans ce cas, l'oxygène joue le rôle d'un composé réducteur (oxydant). Les réactions oxydatives se produisent avec la libération d'énergie. Les réactions biologiques sont caractérisées par des changements d'énergie relativement faibles. Ceci est réalisé en divisant le processus d'oxydation en un certain nombre d'étapes intermédiaires, ce qui permet de le stocker en petites portions sous forme de composés à haute énergie (ATP). La réduction d'un atome d'oxygène lors de l'interaction avec une paire de protons et d'électrons conduit à la formation d'une molécule d'eau.

Respiration tissulaire

Il s'agit du processus de consommation d'oxygène par les cellules des tissus corporels, impliqué dans l'oxydation biologique. Ce type d'oxydation est appelé oxydation aérobie . Si l'accepteur final dans la chaîne de transfert d'hydrogène n'est pas l'oxygène, mais d'autres substances (par exemple, l'acide pyruvique), alors ce type d'oxydation est appelé anaérobie.

Que. l'oxydation biologique est la déshydrogénation d'un substrat à l'aide de porteurs d'hydrogène intermédiaires et de son accepteur final.

Chaîne respiratoire (enzymes de respiration tissulaire) sont des transporteurs de protons et d'électrons du substrat oxydé vers l'oxygène. Un agent oxydant est un composé capable d'accepter des électrons. Cette capacité est caractérisée quantitativement potentiel redox par rapport à une électrode à hydrogène standard dont le pH est de 7,0. Plus le potentiel d’un composé est faible, plus ses propriétés réductrices sont fortes et vice versa.

Que. tout composé ne peut donner des électrons qu'à un composé ayant un potentiel rédox plus élevé. Dans la chaîne respiratoire, chaque maillon suivant a un potentiel plus élevé que le précédent.

La chaîne respiratoire est constituée de :

1. Déshydrogénase dépendante du NAD ;

2. Déshydrogénase dépendante de FAD ;

3. Ubiquinone (Ko Q) ;

4. Cytochrome b, c, a + a 3.

Déshydrogénases dépendantes du NAD . Contient comme coenzyme AU-DESSUS DE Et PNDA. Le cycle pyridine du nicotinamide est capable d'accepter des électrons et des protons d'hydrogène.

Déshydrogénases dépendantes de FAD et FMN contiennent de l'ester de phosphore de la vitamine B 2 comme coenzyme ( MODE).

Ubiquinone (Ko Q ) enlève l'hydrogène des flavoprotéines et se transforme en hydroquinone.

Cytochromes - des protéines chromoprotéiques capables d'acquérir des électrons grâce à la présence de porphyrines de fer comme groupes prothétiques dans leur composition. Ils acceptent un électron d’une substance qui est un agent réducteur légèrement plus fort et le transfèrent à un agent oxydant plus fort. L'atome de fer est lié à l'atome d'azote du cycle imidazole de l'acide aminé histidine d'un côté du plan du cycle porphyrine et de l'autre côté à l'atome de soufre de la méthionine. Par conséquent, la capacité potentielle de l’atome de fer des cytochromes à lier l’oxygène est supprimée.

DANS cytochrome c le plan porphyrine est lié de manière covalente à la protéine par l'intermédiaire de deux résidus cystéine, et dans cytochromexb Et , il n'est pas lié de manière covalente avec des protéines.

DANS cytochrome a+a 3 (cytochrome oxydase) à la place de la protoporphyrine contient de la porphyrine A, qui diffère par un certain nombre de caractéristiques structurelles. La cinquième position de coordination du fer est occupée par un groupe amino appartenant à un résidu de sucre aminé qui fait partie de la protéine elle-même.

Contrairement à l'hème, l'hémolgobine, l'atome de fer dans les cytochromes peut se transformer de manière réversible d'un état deux à un état trivalent, ce qui assure le transport des électrons (voir l'annexe 1 « Structure atomique et électronique des hémoprotéines » pour plus de détails).

Le mécanisme de fonctionnement de la chaîne de transport d'électrons

La membrane externe de la mitochondrie (Fig. 4.8.1) est perméable à la plupart des petites molécules et des ions, la membrane interne est perméable à presque tous les ions (sauf les protons H) et à la plupart des molécules non chargées.

Tous les composants ci-dessus de la chaîne respiratoire sont intégrés dans la membrane interne. Le transport des protons et des électrons le long de la chaîne respiratoire est assuré par la différence de potentiel entre ses composants. Dans ce cas, chaque augmentation de potentiel de 0,16 V libère une énergie suffisante pour la synthèse d'une molécule d'ATP à partir d'ADP et de H 3 PO 4. Lorsqu’une molécule d’O2 est consommée, 3 se forment ATP.

Les processus d'oxydation et de formation d'ATP à partir de l'ADP et de l'acide phosphorique, c'est-à-dire La phosphorylation se produit dans les mitochondries. La membrane interne forme de nombreux plis - crêtes. L'espace est délimité par une membrane interne : la matrice. L'espace entre les membranes interne et externe est appelé intermembrane.

Une telle molécule contient trois liaisons à haute énergie. Macroergique ou riche en énergie est une liaison chimique qui, lorsqu'elle est rompue, libère plus de 4 kcal/mol. La dégradation hydrolytique de l'ATP en ADP et acide phosphorique libère 7,3 kcal/mol. Exactement la même quantité est dépensée pour former de l'ATP à partir de l'ADP et des résidus d'acide phosphorique, et c'est l'un des principaux moyens de stocker de l'énergie dans le corps.

Pendant le transport des électrons le long de la chaîne respiratoire, de l'énergie est libérée, qui est dépensée pour ajouter un résidu d'acide phosphorique à l'ADP pour former une molécule d'ATP et une molécule d'eau. Lors du transfert d’une paire d’électrons le long de la chaîne respiratoire, 21,3 kcal/mol sont libérés et stockés sous forme de trois molécules d’ATP. Cela représente environ 40 % de l’énergie libérée lors du transport des électrons.

Cette méthode de stockage d'énergie dans une cellule est appelée la phosphorylation oxydative ou phosphorylation couplée.

Les mécanismes moléculaires de ce processus sont expliqués de manière plus complète par la théorie chimio-osmotique de Mitchell, avancée en 1961.

Mécanisme de phosphorylation oxydative (Fig. 4.8.2.) :

1) La déshydrogénase dépendante du NAD est située sur la surface matricielle de la membrane mitochondriale interne et cède une paire d'électrons d'hydrogène à la déshydrogénase dépendante du FMN. Dans ce cas, une paire de protons passe également de la matrice au FMN et, par conséquent, FMN H 2 est formé. A ce moment, une paire de protons appartenant au NAD est poussée dans l'espace intermembranaire.

2) La déshydrogénase dépendante de FAD donne une paire d'électrons à Co Q et pousse quelques protons dans l'espace intermembranaire. Ayant reçu des électrons Co Q accepte une paire de protons de la matrice et se transforme en Co QH2.

3) Ko Q H2 pousse une paire de protons dans l’espace intermembranaire et une paire d’électrons est transférée aux cytochromes puis à l’oxygène pour former une molécule d’eau.

En conséquence, lorsqu'une paire d'électrons est transférée le long d'une chaîne de la matrice vers l'espace intermembranaire, 6 protons (3 paires) sont pompés, ce qui conduit à la création d'une différence de potentiel et d'une différence de pH entre les surfaces de l'intérieur. membrane.

4) La différence de potentiel et la différence de pH assurent le mouvement des protons à travers le canal protonique vers la matrice.

5) Ce mouvement inverse des protons conduit à l'activation de l'ATP synthase et à la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et de l'acide phosphorique. Lors du transfert d'une paire d'électrons (c'est-à-dire trois paires de protons), 3 molécules d'ATP sont synthétisées (Fig. 4.7.3.).

Dissociation des processus de respiration et de phosphorylation oxydative se produit lorsque les protons commencent à pénétrer dans la membrane interne des mitochondries. Dans ce cas, le gradient de pH est stabilisé et la force motrice de la phosphorylation disparaît. Les découpleurs chimiques sont appelés protonophores ; ils sont capables de transporter des protons à travers une membrane. Ceux-ci inclus 2,4-dinitrophénol, hormones thyroïdiennes, etc. (Fig. 4.8.3.).

L'ATP résultant de la matrice dans le cytoplasme est transféré par les enzymes translocase, tandis que dans la direction opposée, une molécule d'ADP et une molécule d'acide phosphorique sont transférées dans la matrice. Il est clair que la perturbation du transport de l’ADP et du phosphate inhibe la synthèse de l’ATP.

Le taux de phosphorylation oxydative dépend principalement de la teneur en ATP : plus celui-ci est consommé rapidement, plus l'ADP s'accumule, plus le besoin énergétique est important et, par conséquent, plus le processus de phosphorylation oxydative est actif. La régulation du taux de phosphorylation oxydative par la concentration cellulaire d’ADP est appelée contrôle respiratoire.

RÉFÉRENCES POUR LE CHAPITRE IV.8.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biochimie pour le médecin // Ekaterinbourg : Uralsky Rabochiy, 1994, 384 pp.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Chimie biologique. – M. : Plus haut. école 1998, 479 pages ;

3. Leninger A. Biochimie. Bases moléculaires de la structure et des fonctions cellulaires // M. : Mir, 1974, 956 pp. ;

4. Pustovalova L.M. Atelier de biochimie // Rostov-on-Don : Phoenix, 1999, 540 pp. ;

5. Stepanov V. M. Biologie moléculaire. Structure et fonctions des protéines // M. : Ecole supérieure, 1996, 335 pp. ;

Académie de médecine de Moscou, nommée d'après I.M. Sechenov

Département de chimie générale

Œuvre abstraite n°1

Étudiants de 1ère année, groupe 9

Département de correspondance de la Faculté du VSO

Romashkova Ekaterina Dmitrievna

Moscou 2010

Mécanismes de régulation des processus métaboliques

L'activité de toutes les voies métaboliques est constamment régulée, ce qui garantit que la synthèse et la dégradation des métabolites correspondent aux besoins physiologiques de l'organisme. Cette section discute des mécanismes d’une telle régulation. Les questions de régulation du métabolisme cellulaire sont présentées plus en détail sur. Le flux de métabolites dans le métabolisme est déterminé principalement par l'activité enzymes Pour influencer l'une ou l'autre voie, il suffit de réguler l'activité de l'enzyme qui catalyse l'étape la plus lente. Ces enzymes, appelées enzymes clés, sont présents dans la plupart des voies métaboliques. L'activité de l'enzyme clé est régulée à trois niveaux indépendants,

Contrôle des transcriptions. Contrôle pour biosynthèse enzymatique(1) est réalisé au niveau génétique. Tout d'abord, nous parlons de la synthèse de l'ARNm correspondant (ARNm), ainsi que transcriptions le gène codant pour l'enzyme, c'est-à-dire Ô régulation de la transcription.Participer à ce processus protéines régulatrices(RP) (facteurs de transcription) qui agissent directement sur l'ADN. De plus, les gènes ont des régions régulatrices spéciales - promoteurs- et des sites de liaison pour les protéines régulatrices (éléments régulateurs). L'efficacité de ces protéines est influencée par des métabolites ou des hormones. Si ce mécanisme favorise la synthèse de l'enzyme, on parle de induction, s'il réduit ou supprime - o répression. Les processus d'induction et de répression ne s'effectuent que pendant une certaine période de temps.

Interconversion. L’interconversion des enzymes clés est bien plus rapide que le contrôle transcriptionnel (2). Dans ce cas, l’enzyme est présente dans la cellule sous une forme inactive. Avec demande métabolique due à un signal externe et par l’intermédiaire d’un messager secondaire enzyme activatrice(E 1) convertit l'enzyme clé en une forme catalytiquement active. Si le besoin de cette voie métabolique n'est plus requis, enzyme inactivante(E 2) convertit à nouveau l'enzyme clé en une forme inactive. Le processus d'interconversion consiste dans la plupart des cas à Phosphorylation dépendante de l'ATP protéines enzymatiques protéine kinase et donc déphosphorylation phosphatase Dans la plupart des cas, la forme phosphorylée de l’enzyme est plus active, mais les cas inverses se produisent également.

Modulation par ligands. Un paramètre important contrôlant le déroulement de la voie métabolique est le besoin en premier réactif (ici le métabolite A). La disponibilité du métabolite A augmente avec l'activité croissante de la voie métabolique (3) dans laquelle A est formé, et diminue avec l'activité croissante des autres voies (4) dans lesquelles A est consommé. La disponibilité de A peut être limitée en raison de son transport vers d’autres parties de la cellule.

Souvent, le facteur limitant est aussi disponibilité des coenzymes(5). Si la coenzyme est régénérée via une deuxième voie indépendante, cette voie peut limiter la vitesse de la réaction principale. Ainsi, par exemple, la glycolyse et le cycle du citrate sont régulés par la disponibilité du NAD+. Le NAD+ étant régénéré dans la chaîne respiratoire, cette dernière régule le catabolisme du glucose et des acides gras. Enfin, l'activité d'une enzyme clé peut être régulée. ligand(substrat, produit final de réaction, coenzyme, autre effecteur) comme effecteur allostérique en le liant non pas dans le centre actif lui-même, mais à un autre endroit de l'enzyme, et par conséquent, une modification de l'activité enzymatique. L'inhibition d'une enzyme clé est souvent causée par les produits finaux de la réaction de la chaîne métabolique correspondante ( inhibition par type de feedback) ou un métabolite impliqué dans une autre voie. Le premier réactif de la chaîne réactionnelle peut également stimuler l’activation enzymatique.

Régulation hormonale du métabolisme

L'activation catalysée par des enzymes et, par conséquent, l'inactivation des enzymes clés du métabolisme intermédiaire sont appelées interconversions. Ces processus sont soumis à divers contrôles, notamment hormonaux. Cette section traite des processus d'interconversion qui régulent le métabolisme du glycogène dans le foie.

A. Régulation hormonale de la dégradation du glycogène

Le glycogène sert de réserve de glucides dans l'organisme, à partir duquel le phosphate de glucose est rapidement créé dans le foie et les muscles par clivage. Le taux de synthèse du glycogène est déterminé par l'activité de la glycogène synthase (dans le diagramme ci-dessous à droite), tandis que le clivage est catalysé glycogène phosphorylase(dans le schéma ci-dessous à gauche). Les deux enzymes agissent à la surface des particules insolubles de glycogène, où elles peuvent être sous forme active ou inactive, selon l'état métabolique. Lors du jeûne ou dans des situations stressantes (lutte, course à pied), les besoins de l'organisme en glucose augmentent. Dans de tels cas, des hormones sont libérées adrénaline Et glucagon. Ils activent la dégradation et inhibent la synthèse du glycogène. L'adrénaline agit dans les muscles et le foie, tandis que le glucagon n'agit que dans le foie.

Les deux hormones se lient à récepteurs sur la membrane plasmique (1) et sont activés par la médiation des protéines G l'adénylate cyclase(2), qui catalyse la synthèse du 3",5"-cyclo-AMP (AMPc) à partir de l'ATP (ATP). Le miroir d’en face est l’effet sur cela » messager secondaire » phosphodiestérase cAMP (3), qui hydrolyse l'AMPc en AMP (AMP). Dans le foie, la diesterase est induite par l’insuline, qui n’interfère donc pas avec les effets des deux autres hormones (non présentées). L'AMPc se lie et active ainsi protéine kinase A(4), qui agit dans deux directions : d’une part, avec l’aide phosphorylation avec la participation de l'ATP en tant que coenzyme, il se transforme en forme D inactive glycogène synthase et arrête par conséquent la synthèse du glycogène (5); d'autre part, il active - également par phosphorylation - une autre protéine kinase, phosphorylase kinase(8). La phosphorylase kinase active phosphoryle la forme b inactive glycogène phosphorylase, en le convertissant en forme a active (7). Cela conduit à la libération de glucose-1-phosphate du glycogène (8), qui, après conversion en glucose-6-phosphate avec la participation de la phosphoglucomutase, est inclus dans la glycolyse (9). Le foie produit en outre du glucose libre qui pénètre dans le sang (10).

À mesure que les niveaux d’AMPc diminuent, ils s’activent. phosphoprotéines phosphatases(11), qui déphosphorylent diverses phosphoprotéines de la cascade décrite et arrêtent ainsi la dégradation du glycogène et initient sa synthèse. Ces processus se produisent en quelques secondes, de sorte que le métabolisme du glycogène s'adapte rapidement aux conditions modifiées.

B. Interconversion de la glycogène phosphorylase

Les changements structurels qui accompagnent les interconversions de glycogène phosphorylase ont été établis par analyse par diffraction des rayons X. L'enzyme est dimère avec une symétrie du second ordre. Chaque sous-unité possède un centre actif situé à l’intérieur de la protéine et, sous forme b, peu accessible au substrat. L'interconversion commence par phosphorylation d'un résidu sérine(Ser-14) près de l'extrémité N-terminale de chaque sous-unité. Les résidus arginine des sous-unités voisines se lient aux groupes phosphate. La liaison initie des réarrangements conformationnels qui augmentent considérablement l'affinité de l'enzyme pour l'activateur allostérique AMP. L'action de l'AMP et l'influence des changements conformationnels sur les centres actifs conduisent à l'apparition d'une forme α plus active. Après élimination des résidus de phosphate, l’enzyme reprend spontanément sa conformation b d’origine.

Régulation hormonale du métabolisme des acides gras

métabolisme enzyme régulation hormonale

Adrénaline et glucagon activer la lipase intracellulaire. L'action de ces hormones est médiée par une cascade de réactions de l'adénylate cyclase, commençant par l'activation de l'adénylate cyclase et se terminant par la phosphorylation de la lipase, qui dans ce cas devient active et clive les liaisons ester dans TAG. Glycérol En tant que substance soluble dans le plasma, elle est transportée vers le foie, où elle est utilisée dans les réactions de gluconéogenèse. Acide gras transportés par le sang sous forme de complexes avec l'albumine sérique vers divers organes et tissus, où ils sont inclus dans le processus d'oxydation.

Régulation hormonale Le métabolisme des protéines assure un équilibre dynamique de leur synthèse et de leur dégradation.

· Anabolisme des protéines contrôlé par les hormones de l'adénohypophyse ( somatotropine), pancréas ( insuline), les gonades mâles ( androgène). Une augmentation de la phase anabolique du métabolisme des protéines avec un excès de ces hormones se traduit par une augmentation de la croissance et une prise de poids. Le manque d'hormones anabolisantes entraîne un retard de croissance chez les enfants.

· Catabolisme des protéines régulé par les hormones thyroïdiennes ( thyroxine et triiodothyronone), corticale ( glucocorticoïdes) et le cerveau ( adrénaline) substances des glandes surrénales. Un excès de ces hormones augmente la dégradation des protéines dans les tissus, ce qui s'accompagne d'un épuisement et d'un bilan azoté négatif. Le manque d'hormones, par exemple la glande thyroïde, s'accompagne d'obésité.