biochimie 2 – introduction · biochimie 2 - examen les cours les td le tp... questions de cours...
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Biochimie 2 – Introduction
James SturgisLaurent Aussel
Biochimie 2 – Contenu
La biochimie cellulaire– le métabolisme– le couplage
Les protéines– leur structure– leur purification
Les enzymes– leur cinétique
Biochimie 2 - Organisation
Les cours... Les TD
– A partir de fin septembre (29/9)....
Les TP– A la fin du semestre.
Cours JS– 7/9, 9/9, 16/9, 23/9
Cours LA– 30/9, 7/10, 21/10,
4/11, 18/11
Partiel JS– 14/10
Revisions LA– 25/11
Biochimie 2 - Examen
Les cours Les TD Le TP...
Questions de cours Exercices /
problèmes
Partiel– JS seulement 35%
Final – LA et JS - 50%
TP– 15%
Deuxieme session– Examen 85%– Test TP 15%
Biochimie 1 – Rappels
Les molécules de la vie...
– Les petits
● Glucides - Nucléotides
● Acides Aminés - Acides Gras
● Vitamines - et autres
– Les grands
● Polysaccharides - Acides Nucléiques
● Protéines - Lipides
Biochimie 1 – Rappels
Les molécules de la vie...
– Les petits
● Glucides - Nucléotides
● Acides Aminés - Acides Gras
● Vitamines - et autres
– Les grands
● Polysaccharides - Acides Nucléiques
● Protéines - Lipides
Biochimie 1 – Rappels
Les molécules de la vie...
– Les petits
● Glucides - Nucléotides
● Acides Aminés - Acides Gras
● Vitamines - et autres
– Les grands
● Polysaccharides - Acides Nucléiques
● Protéines - Lipides
Biochimie 1 – Rappels
Les molécules de la vie...
– Les petits
● Glucides - Nucléotides
● Acides Aminés - Acides Gras
● Vitamines - et autres
– Les grands
● Polysaccharides - Acides Nucléiques
● Protéines - Lipides
Biochimie 1 – Rappels
Les molécules de la vie...
– Les petits
● Glucides - Nucléotides
● Acides Aminés - Acides Gras
● Vitamines - et autres
– Les grands
● Polysaccharides - Acides Nucléiques
● Protéines - Lipides
PyridoxalVitamine B6
Biochimie 1 – Rappels
Les molécules de la vie...
– Les petits
● Glucides - Nucléotides
● Acides Aminés - Acides Gras
● Vitamines - et autres
– Les grands
● Polysaccharides - Acides Nucléiques
● Protéines - Lipides
Biochimie 1 et Biochimie 2
Les cellules ne sont pas seulement fabriquées de plusieurs composants différents...
Les molécules et cellules sont dynamiques...– Les conversions– leur cinétique et– leur catalyse.
Les conversions biologiques
Les organismes biologiques sont capables de faire de la chimie.
Les conversions biologiques
Agriculture... Les plantes produisent la biomasse à partir de l'air, l'eau et la lumière.Les animaux herbivores produisent des protéines à partir de sucres..
Les conversions biologiques
Photo par Velela
Les bactéries qui nettoient l'eau...
Les conversions biologiques
Transmission electron micrograph of thin sections illustrating gold precipitation associated with Au(III)-reducing microorganisms and lack of gold precipitation with G. sulfurreducens. (A) P. islandicum; (B) T. maritima; (C) S. algae; (D) G. sulfurreducens; (E) G. ferrireducens; (F) P. furiosus; (G) strain 234. Appl Environ Microbiol. 2001 July; 67(7): 3275–3279. doi: 10.1128/AEM.67.7.3275-3279.2001.
Les bactéries qui collectent l'or.
Les conversions biologiques
La levure qui fabrique de l'alcool a partir des sucres (maltose/saccharose ou amidon).
La chimie biologique
Sucre (maltose/saccharose ou amidon) + Eau + Levure
Maltose
Saccarose
Amidon
Levure et eau
La chimie biologique
Une production de gaz carbonique ...et d'alcool
CO2
EthanolLevure et eau
Maltose
Saccarose
Amidon
Danger
La chimie organique
... et dans le flacon!
Les cellules se divisent.
Les levures croissent sur les glucides.
Le temps de croissance est environ 60 minutes
... et dans le flacon
Une température qui augmente.
La fermentation est une processus exérgonique et génère de la chaleur.
Ceci est souvent un problème en industrie.
Couplage des processus
Production de– Ethanol et CO
2
– Levures– Chaleur
Glucide + levure -> CO2 + éthanol + 2 x levure + chaleur
Couplage de réactions
Diverses réactions dans la cellule sont couplées ensemble.
Couplage des réactions
D'une part utilisation d'un glucide comme fioul pour la cellule, et production de déchets (gaz carbonique et alcool).
D'autre part production de nouvelles cellules avec « l'énergie » dérivée.
Deux processus couplés
Proteines etc.
Alcool et CO2.
Glucose
Couplage des réactions
« Catabolisme » utilisation d'un glucide comme fioul pour la cellule, et production de déchets (gaz carbonique et alcool).
« Anabolisme » production de nouvelles cellules avec « l'énergie » dérivée.
Deux processus couplés« Métabolisme »
Proteines etc.
Alcool et CO2.
Glucose
... et si on tue les cellules?
Expérience ancienne de Hans et Edouard Büchner (1897) poussée plus loin par Harden et Young (1905).
Catabolisme toujours possible, production d'alcool et gaz carbonique.
Pas d'anabolisme Dégagement de plus de chaleur.
Glucose + levure (mort) -> CO2 + éthanol + levure (mort) + 2 x chaleur
... et si on tue les cellules?
Expérience ancienne de Hans et Edouard Büchner (1897) poussée plus loin par Harden et Young (1905).
Métabolisme déréglé dans des cellules mortes. Le couplage entre anabolisme et catabolisme
conserve de l'énergie. Le suc de levure est capable de chimie.
Glucose + levure (mort) -> CO2 + éthanol + levure (mort) + 2 x chaleur
Catalyseurs – Enzymes
Les composants actives du suc de levures sont des « enzymes »
Parfois ils ont des cofacteurs ou coenzymes.
Elles ont un pouvoir catalytique impressionnant
Les Enzymes
Accélèrent des réactions, souvent énormément.
Dans une eprouvette...
[Produit]
Temps
Additiond'enzyme.
Beaucoup d'enzyme et réactives
Moins d'enzyme ou réactives
Les Enzymes
Accélèrent des réactions, souvent énormément.
Sont saturables
[Réactif]
[Produit]
temps
vitesse de la réaction
Pente = vitesse
Les Enzymes
Accélèrent des réactions, souvent énormément.
Sont saturables Sont caractérisées, au
plus simple, par deux paramètres:– k
cat (pouvoir catalytique)
– KM (affinité)
vitesse de la réaction
[Réactif]
KM
Vmax
Liens entre anabolisme et catabolisme
Catabolisme : utilisation de fioul
Anabolisme : fabrication des molécules de la vie.
Liées par– des petites molécules– ATP et NADH– des macromolécules AnabolismeCatabolisme
Macromolécules
Petit Molécules
ATP et NADH
l'ATP – l'argent comptant de la cellule
C'est quoi cette molécule?
Pourquoi est-elle si utile?
Comment est stockée l'énergie?
l'ATP – l'argent comptant de la cellule
C'est quoi cette molécule?
Pourquoi est-elle si utile? Comment est stockée
l'énergie?
l'ATP – l'argent comptant de la cellule
ADP~P
ADP + H+ + Pi ATP + H
2O
∆G°' = -29,2 kJ mol-1
C'est quoi cette molécule?
Pourquoi est-elle si utile? Comment est stockée
l'énergie?
Couplage et thermodynamique
Le couplage d'une réaction favorable avec une deuxième réaction défavorable peut rendre la réaction
défavorable possible.
A B
C D
1er réaction favorable A->B
2ème réaction favorable C->D
Couplage et thermodynamique
Le couplage d'une réaction favorable avec une deuxième réaction défavorable peut rendre la réaction
défavorable possible.
A B
D C
1er réaction favorable A->B
2ème réaction defavorable D->C
Couplage et thermodynamique
Le couplage d'une réaction favorable avec une deuxième réaction défavorable peut rendre la réaction
défavorable possible.A B
D C
1er réaction favorable A->B
2ème réaction defavorable D->C
A + D B + C
deux réactions couplées, favorable
Couplage et ATP
Le couplage d'une réaction favorable avec une deuxième réaction défavorable peut rendre la réaction
défavorable possible.Glucide Ethanol + CO
2
ADP + Pi ATP
1er réaction favorable Glucide -> Ethanol + CO2
2ème réaction defavorable ADP+Pi -> ATP
Glucide + ADP + Pi Ethanol + CO2 + ATP
deux réactions couplées, favorable
Couplage et ATP – Catabolisme
Le couplage d'une réaction favorable avec une deuxième réaction défavorable peut rendre la réaction
défavorable possible.Macromolécules Petits molécules
ADP + Pi ATP
1er réaction favorable dégradation de macromolécules
2ème réaction defavorable synthèse d'ATP
Macromolécules + ADP + Pi Petits molécules + ATP
deux réactions couplées, favorableConservation d'énergie
Couplage et ATP – Anabolisme
Le couplage d'une réaction favorable avec une deuxième réaction défavorable peut rendre la réaction
défavorable possible.ATP ADP + Pi
Petits molécules Macromolécules
1er réaction favorable hydrolyse d'ATP
2ème réaction defavorable synthèse de macromolécules
Macromolécules + ADP + PiPetits molécules + ATP
deux réactions couplées, favorableConservation d'énergie
le NAD(P)H – le pouvoir reducteur
C'est quoi cette molécule? Pourquoi est-elle si utile?
le NAD(P)H – le pouvoir reducteur
C'est quoi cette molécule? Pourquoi est-elle si utile?
Couplage et NAD(P)H
Couplage d'une réaction d'oxydation avec une deuxième réaction de réduction afin de conserver le
pouvoir réducteur.Macromolécules Petits molécules
NAD(P)+ NAD(P)H
1er réaction oxydation de macromolécules
2ème réaction réduction de NAD(P)+
Macromolécules + NAD(P)+ Petits molécules + NADH
deux réactions coupléesConservation de pouvoir réducteur
Les acides nucléiques – « ARN monde » et l'origine de la vie...
Les molécules de couplage ATP et NADH jouent un rôle important dans la cellule. Ce sont des nucléotides.
Conditions de la vie...
Transmission d'information génétique (ADN)
Anabolisme pour reproduction de l'information.
Effecteurs – catalyseurs – codés par les gènes pour faire le métabolisme (Protéine)
Origine de la vie...
Quoi ?– Membrane– Métabolisme– Génétique
Quand ?– Il-y-a 4,25 GYa..... avant
LUCA il-y-a 3,75 GYa.... après la formation de la Terre il-y-a 4,5 GYa.
LUCA – le dernier ancêtre commun
Un membrane lipidique avec plein de protéines membranaires.
Un génome en ADN Un métabolisme
complexe avec ARN et ADN.
Peut-être un consortium avec beaucoup de virus?
LUCA – le dernier ancêtre commun
Un membrane lipidique avec plein de protéines membranaires.
Un génome en ADN Un métabolisme
complexe avec ARN et ADN.
Peut-etre un consortium avec beaucoup de virus?
ARN avant ADN
Les ribosomes, ARN messagers et ARN de transfert jouent un rôle active important dans la cellule.
L'ADN jouent un rôle plus passive et est remplaçable par ARN.
La conversion d'une nucléotide en desoxy-nucléotide est secondaire dans le métabolisme.
Certains virus utilisent ARN et pas ADN comme matière génétique.
Avant LUCA
Avant LUCA possible d'avoir des cellules avec l'ARN en place de l'ADN.
Avant....
ARN
Protéine
Métabolisme
Membrane
Avant LUCA
Ribosome ARN messager et ARN de transfert est une machinerie complexe pour convertir ARN en protéine....
Avant sa évolution la vie était comment?....
ARN ou Peptides?
Monde des ARN ou des peptides?
ARN
Métabolisme Métabolisme
Peptides
Membrane
Monde des ARN (RNA world) Métabolisme d'abord
ARN monde
Les ARN peuvent jouer les deux rôles...– Transmission
d'information– Catalyse de réactions
ARN monde
Les ARN peuvent jouer les deux rôles...– Transmission
d'information– Catalyse de réactions
Le ribosome est une ribozyme!!!
ARN monde
Les reliques aujourd'hui..– Les ARN entre ADN et
protéine.– Les ribozymes pour les
réactions clés de la cellule– Les ARN comme
molécules de couplage– Les ARN et bases pour
leur réactivité.
ARN monde
Les reliques aujourd'hui..– Les ARN entre ADN et
protéine.– Les ribozymes pour les
réactions clés de la cellule– Les ARN comme
molécules de couplage– Les ARN et bases pour
leur réactivité.
ARN monde
Les reliques aujourd'hui..– Les ARN entre ADN et
protéine.– Les ribozymes pour les
réactions clés de la cellule– Les ARN comme
molécules de couplage– Les ARN et bases pour
leur réactivité.
ARN monde
Les reliques aujourd'hui..– Les ARN entre ADN et
protéine.– Les ribozymes pour les
réactions clés de la cellule– Les ARN comme
molécules de couplage– Les ARN et bases pour
leur réactivité.
Evolution prébiotique
Evolution d'ADN
Evolution des ribosomes et génétique ou ribosomes et protéines.
Evolution des membranes et metabolisme.
ARN
Métabolisme Métabolisme
Peptides
Membrane
ARN
Protéine
Métabolisme
Chimie
ARN
Protéine
Métabolisme
ADN
Evolution prébiotique
L'évolution prébiotique est conservé dans– Les molécules du
vivantAcides aminés LGlucides D
– Les réactions du métabolismeUtilisation d'ATPPréférence pour K+
Le Métabolisme une Introduction
Une vue globale
Métabolisme - une vue globale
Anabolisme
Petites molécules
Molécules de CouplageATP, NAD(P)H
Macromolécules
Catabolisme
Métabolisme - une vue globale
Petites molécules
Molécules de CouplageATP, NAD(P)H
Macromolécules
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
CO2
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
CO2
Petites molécules
Les différents compartiments de la cellule sont spécialisés dans différents aspects du métabolisme
Métabolisme - une vue globale
Lysosome GolgiNoyau
Mitochondrie
Cytosol
Réticulum endoplasmique
Ribosomes
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
CO2
Petites molécules
Métabolisme - une vue globale
Lysosome GolgiNoyau
Mitochondrie
Cytosol
Réticulum endoplasmique
Ribosomes
Les différents compartiments et les membranes ne sont pas homogènes mais sont structurés avec des machines moléculaires qui ont souvent des rôles métaboliques spécifiques...
Métabolisme - une vue globale
Lysosome GolgiNoyau
Mitochondrie
Cytosol
Réticulum endoplasmique
Ribosomes
Les différents compartiments et les membranes ne sont pas homogènes mais sont structurés avec des machines moléculaires qui ont souvent des rôles métaboliques spécifiques...
Métabolisme - une vue globale
Beck et al. Science 2004
Les différents compartiments et les membranes ne sont pas homogènes mais sont structurés avec des machines moléculaires qui ont souvent des rôles métaboliques spécifiques...
Métabolisme - une vue globale
Baumeister Biol.Chem. 2004
Les différents compartiments et les membranes ne sont pas homogènes mais sont structurés avec des machines moléculaires qui ont souvent des rôles métaboliques spécifiques...
Métabolisme - une vue globale
Baumeister Biol.Chem. 2004
Un Protéosome
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
CO2
Petites molécules
Métabolisme - une vue globale
Lysosome GolgiNoyau
Mitochondrie
Cytosol
Réticulum endoplasmique
Ribosomes
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
CO2
Petites molécules
Métabolisme - une voie anabolique
Le différentes interconversions et synthèses sont organisées en voie métabolique...
C'est une petite simplification pour rendre la compréhension plus facile.
La synthèse des Nucléotides.
Métabolisme - une voie anabolique
La synthèse des nucléotides.ATP produit et substrat
ARN
ARN polymerase
ATP GTP CTP UTP
AMP GMP UMP
1 ATP
2 ATP
PRPP
UracilAdenine
Guanine
Ribose 5 P
2 ATP
Glucose 6 P2 NADPH + CO
2
Phosphates
Glucide
Base
Métabolisme - une voie anabolique
Beaucoup de composés phosphorylés
Beaucoup d'ATP utilisé
Plein de petites étapes simples pour faire des réactions complexes.
ARN
ARN polymerase
ATP GTP CTP UTP
AMP GMP UMP
1 ATP
2 ATP
PRPP
UracilAdenine
Guanine
Ribose 5 P
2 ATP
Glucose 6 P2 NADPH + CO
2
Amino Acides Nucléo GlucAcides Gras -tides -ides
Macromolécules
Protéines ARN/ADN Lipides Polygluc.
Monoméres
Petites molécules
CO2
Petites molécules
Métabolisme - une voie catabolique
La fermentation de glucose en alcool et dioxyde de carbone.
Le catabolisme d'une glucide monomérique.
Métabolisme - une voie catabolique
Différentes étapes..• activation du substrat• récupération d'énergie• élimination des déchets
Beaucoup d'ATP
Plein de petites étapes simples pour faire des réactions complexes.
1 ATP
4 ATP
2 NADH
Glucose 6 P
2 NADH
Glucose
Fructose 1,6 bisP
Pyruvate
1 ATP
Ethanol et CO2
Une réaction chimique
Les réactions cataboliques
Glucose
Glucose (C6H12O6) -> 2 x CO2 + 2 x ethanol (C2H6O)
Stœchiométrie
OC
H
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
Ethanol
CH3 CH
2OH
Gaz Carbonique
O=C=O
Une voie métabolique – Les étapes
Les premières étapes : activation du substrat
Glucose
OC
H
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
Fructose 1,6 bisPhosphate
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
CH2OPO
3
2-
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Une voie métabolique – Les étapes
Ensuite récupération d'énergie
PyruvateX2
CH3
O
O
CC
O-
Fructose 1,6 bisPhosphate
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
CH2OPO
3
2-
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Une voie métabolique – Les étapes
Élimination des déchets
Pyruvate
CH3
O
O
CC
O-
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Ethanol +CO
2
CH3
CH2OH
OCO
Métabolisme - une vue globale
Les différents voies contiennent souvent des composants communes.
Le métabolisme est souvent fait par des organites et des machines spécialisées.
Les molécules de couplages (ATP, NADH) jouent un rôle important.
Les voies métaboliques sont composées de plusieurs réactions simples.
Le Métabolisme : une voie catabolique
La fermentation alcoolique
Transport du glucose
Localisation importante pour le métabolismeActivation du substrat
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
OC
H
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
Glucose (extracellulaire)
OC
H
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
OC
H
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
Glucose (intracellulaire)
OC
H
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
Activation du glucose
HexokinaseInvestissement d'énergie.
Activation du substrat
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Glucose O
CH
HHO
HH
CH2OH
HOH
OHOH
CCCC
ATP
Glucose 6 Phosphate O
CH
HHO
HH
CH2OPO
3
2-
HOH
OHOH
CCCC
ADP
Une isomérisation
PhosphoglucoisomeraseActivation du substrat
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Fructose 6 Phosphate
CH2OH
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
OC
H
HHO
HH
CH2OPO
3
2-
HOH
OHOH
CCCC
Glucose 6 Phosphate
Une deuxième activation
PhosphofructokinaseActivation du substrat
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Fructose 1,6 bis-Phosphate
CH2OPO
3
2-
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
Fructose 6 Phosphate
CH2OH
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
ATP ADP
Clivage de la Molécule
AldolaseActivation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Di-hydroxy acétone
phosphate CH
2OPO
3
2-
HOH
HOC
C
Fructose 1,6 bis-Phosphate
CH2OPO
3
2-
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
Glycéraldéhyde 3 Phosphate
CH2OPO
3
2-
HO H
OCC
H
TIM - Triose phosphate isomerase
TIM
Di-hydroxy acétone
phosphate CH
2OPO
3
2-
HOH
HOC
C
Glycéraldéhyde 3 Phosphate
CH2OPO
3
2-
HO H
OCC
H
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
TIM - une enzyme parfaite
Di-hydroxy acétone
phosphate CH
2OPO
3
2-
HOH
HOC
C
Glycéraldéhyde 3 Phosphate
CH2OPO
3
2-
HO H
OCC
H
Une protéine en forme de baril, avec feuillets β et hélices α
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
TIM - une enzyme parfaite
Di-hydroxy acétone
phosphate CH
2OPO
3
2-
HH
OHOC
C
Mechanisme d'action
His 95
His 95Glu165
H N+CO
O-
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
TIM - une enzyme parfaite
Intermediaire ene-di-ol
CH2OPO
3
2-
HOHOHC
C
Mechanisme d'action
His 95
His 95Glu165
:NCO
OH
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
TIM - une enzyme parfaite
Glycéraldéhyde 3
phosphate CH
2OPO
3
2-
H
HOOHC
C
Mechanisme d'action
His 95
His 95Glu165
H N+CO
O-
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
TIM - une enzyme parfaite
Di-hydroxy acétone
phosphate CH
2OPO
3
2-
HOH
HOC
C
Glycéraldéhyde 3 Phosphate
CH2OPO
3
2-
HO H
OCC
H
Accéleration de la réaction par 1010x
Vitesse limitée par les rencontres enzyme substrat
Guidage de la réaction.
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Une oxydation
Une réaction complexe... Oxydation d'aldéhyde en acide et phosphorylation
O
H
CH2OPO
3
2-
OPO3
2-
OH
C
C
1,3bisphospho glycerate
H
H
CH2OPO
3
2-
O
OH
C
C
Glyceraldehyde 3Phosphate
NAD+
Pi NADH
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Récupération d'énergie 1
O
H
CH2OPO
3
2-
O-
OH
C
C
3 phospho glycerate
ATP
O
H
CH2OPO
3
2-
OPO3
2-
OH
C
C
1,3bisphospho glycerate
ADP
Phosphoglycerate kinase
Une phosphorylation à l'envers
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Un transfert intramoléculaire
O
H
CH2OH
O-
OPO3
2-
C
C
2 phospho glycerate
Phosphoglycérate mutase
O
H
CH2OPO
3
2-
O-
OH
C
C
3 phospho glycerate
Des mutases catalysent des transferts intramoléculaires d'un groupe chimique
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Une déshydratation
O
H
CH2OH
O-
OPO3
2-
C
C
Phosph énol pyruvate
Enolase
2 phospho glycérate
O
CH2
O-
OPO3
2-
C
C
H2O
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Récupération d'énergie 2
Pyruvate
Pyruvate Kinase
O
CH3
O-
O
C
C
Phosph énol pyruvate
O
CH2
O-
OPO3
2-
C
C
ATPADP
Une phosphorylation à l'envers
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Aldolase
Triose Phosphate isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Élimination des déchets
Décarboxylation
Acetaldehyde
Pyruvate Décarboxylase
O
CH3
O
O
C
C
Pyruvate
O
CH3
O-
OCH
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Élimination des déchetsPyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
O O-
C
Régénération de NAD+
Activation du substrat
Récupération d'énergie
Élimination des déchetsPyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
Ethanol
Alcool Déshydrogenase
CH3
OHC
H
Acetaldehyde
CH3
OC
H
H
NADH NAD+
Enzyme à Zn2+
Le Métabolisme : une voie catabolique
Intégration cellulaire
Les enzymes
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
1 Transporteur4 Kinases (Phosphoryl transferts)2 Deshydrogenases1 Deshydratation2 Isomérase1 Mutase2 Clivage de liaison C-C.
Le bilan 1
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
Glucose
O
C
H
H
HO
H
H
CH2OH
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
2 ATP
Fructose 1,6 bis Phosphate
HO
H
H
CH2OPO
3
2-
H
O
OH
OH
C
C
C
C
CH2OPO
3
2-
2 ADP
Le bilan 2
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
GlucoseO
C
H
H
HO
H
H
CH2OH
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
2 ATP2 NAD+
4 ADP2 Pi
2 ADP2 NADH4ATP
2 Pyruvate
O
CH3
O-
O
C
C
Le bilan 3
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
Glucose
O
C
H
H
HO
H
H
CH2OH
H
OH
OH
OH
C
C
C
C
2ADP2 Pi
2ATP
2 Ethanol
CH3
OHC
H
H
O=C=O
2 gaz carbonique
Liens avec le reste du métabolisme
•Autres voies•Autres substrats•Autres produits•Liens avec anabolisme•Source de carbone
Glucose
Glucose 6 Phosphate
Fructose 6 phosphate
Fructose 1,6 bis phosphate
Di hydroxy acetone phosphate
Glyceraldehyde 3 phosphate
1,3 bis phsopho glycerate
3 phospho glycerate
2 phospho glycerate
Phophenol pyruvate
Pyruvate
Acetaldehyde
Ethanol
Glucose
Glucose 6 Phosphate
Fructose 6 phosphate
Fructose 1,6 bis phosphate
Di hydroxy acetone phosphate
Glyceraldehyde 3 phosphate
1,3 bis phsopho glycerate
3 phospho glycerate
2 phospho glycerate
Phophenol pyruvate
Pyruvate
Acetaldehyde
Ethanol
Liens avec le reste du métabolisme
•Autres voies•Autres substrats•Autres produits•Liens avec anabolisme•Source de carbone
Glucose
Glucose 6 Phosphate
Fructose 6 phosphate
Fructose 1,6 bis phosphate
Di hydroxy acetone phosphate
Glyceraldehyde 3 phosphate
1,3 bis phsopho glycerate
3 phospho glycerate
2 phospho glycerate
Phophenol pyruvate
Pyruvate
Acetaldehyde
Ethanol
Liens avec le reste du métabolisme
•Autres voies•Autres substrats•Autres produits•Liens avec anabolisme•Source de carbone
MaltoseAmidon
Fructose
Glucose
Glucose 6 Phosphate
Fructose 6 phosphate
Fructose 1,6 bis phosphate
Di hydroxy acetone phosphate
Glyceraldehyde 3 phosphate
1,3 bis phsopho glycerate
3 phospho glycerate
2 phospho glycerate
Phophenol pyruvate
Pyruvate
Acetaldehyde
Ethanol
Liens avec le reste du métabolisme
•Autres voies•Autres substrats•Autres produits•Liens avec anabolisme•Source de carbone
Acides nucléiques
LactateCO
2
Acides GrasAcides aminés
Glucose
Glucose 6 Phosphate
Fructose 6 phosphate
Fructose 1,6 bis phosphate
Di hydroxy acetone phosphate
Glyceraldehyde 3 phosphate
1,3 bis phsopho glycerate
3 phospho glycerate
2 phospho glycerate
Phophenol pyruvate
Pyruvate
Acetaldehyde
Ethanol
Liens avec le reste du métabolisme
•Autres voies•Autres substrats•Autres produits•Liens avec anabolisme•Source de carbone
NADH
ATP
Glucose
Glucose 6 Phosphate
Fructose 6 phosphate
Fructose 1,6 bis phosphate
Di hydroxy acetone phosphate
Glyceraldehyde 3 phosphate
1,3 bis phsopho glycerate
3 phospho glycerate
2 phospho glycerate
Phophenol pyruvate
Pyruvate
Acetaldehyde
Ethanol
Liens avec le reste du métabolisme
•Autres voies•Autres substrats•Autres produits•Liens avec anabolisme•Source de carbone
Acides GrasAcides aminés
Acides nucléiques
L'énergétique
Thermodynamique et métabolisme
Rappel de la thermodynamique
G = changement d'énergie libre (de Gibbs)
G° = changement d'énergie libre standard (de Gibbs) dans les conditions standard = 1M de réactif et de produit (pH 0).
G°' = changement d'énergie libre standard (de Gibbs) version biologique... condition standard pH 7.
Rappel de la thérmodynamique
G = changement d'énergie libre (de Gibbs)
Changement d'énergie libre est l'énergie disponible (-ve) ou nécessaire (+ve) pour faire une réaction
G = H - TSH = Changement d'enthalpieS = Changement d'entropie
La thermodynamique des réactions
∆G = ∆G° - RT ln K
∆G° – une mesure de la facilité (chimique) d'une réaction.
– A un molaire des produits et substrats la valeur de G.
– A l'équilibre G° = RT ln Keq
.
∆G – une mesure de l'équilibre (ou non) d'une réaction.
Glyceraldehyde3P + Pi + NAD+
BisPhosphoGlycerate + NADH
K = [Glyceraldehyde 3 P][Pi][NADH]
[bisphosphoglycerate][NAD+]
∆G°' = +6.0 KJ/mol
La thermodynamique des réactions
∆G = ∆G° - RT ln K
∆G° - une mesure de la facilité (chimique) d'une réaction.
∆G – une mesure de l'équilibre (ou non) d'une réaction.
– Si ∆G = 0 une réaction est à l'équilibre.
Glyceraldehyde3P + Pi + NAD+
BisPhosphoGlycerate + NADH
K = [Glyceraldehyde 3 P][Pi][NADH]
[bisphosphoglycerate][NAD+]
∆G°' = +6.0 KJ/mol
La thermodynamique des réactions
∆G°' ∆GHexokinase -16,0 -32,0PGI +1,6 -2,4PFK -13,6 -21,2Aldolase +22,8 -1,2TIM +7,2 +2,4G3PDH +6,0 -1,6PGK +18,0 +1,2PGM +4,4 +0,8Enolase +1,6 -3,2PyruvateK -30,0 -16,0
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase Réactions difficilesRéactions faciles
La thermodynamique des réactions
∆G°' ∆GHexokinase -16,0 -32,0PGI +1,6 -2,4PFK -13,6 -21,2Aldolase +22,8 -1,2TIM +7,2 +2,4G3PDH +6,0 -1,6PGK +18,0 +1,2PGM +4,4 +0,8Enolase +1,6 -3,2PyruvateK -30,0 -16,0
Réactions difficilesRéactions faciles
Réactions proche de l'équilibreRéactions Loin de l'équilibre
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
La thermodynamique des réactions
Les sites de régulation correspondent aux réactions hors équilibre et aux goulots d'étranglement...
Ils correspondent souvent aux points de branchement...
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
La cinétique chimique
L'ordre d'une reaction...
La cinétique chimique
Pour une réaction chimique très simple...
La vitesse de la réaction est la concentration de produit formé, ou substrat utilisé, par seconde.
Unités de mesure Molaire par seconde (M sec-1)
Substrat (S) Produit (P)
d [P ]
dtou
−d [S ]dt
La cinétique chimique
Pour une réaction chimique très simple...
La vitesse de la réaction varie en fonction des conditions:– La concentration du substrat (S).– L'environnement (T et P par exemple).
Substrat (S) Produit (P)
La cinétique chimique
Pour une réaction chimique très simple...
Une equation de vitesse:
– La concentration du substrat (S) puissance 1, c'est une réaction de premier ordre.
– L'environnement (T et P par exemple) agis sur la constante de vitesse (k)
Substrat (S) Produit (P)
d [P ]
dt=
−d [S ]dt
= k [ S ]1
La cinétique chimique
Pour une réaction chimique très simple...
– La vitesse se mesure en M sec-1.– La concentration du substrat (S) en M.– La constante de vitesse (k) donc en sec-1.
Substrat (S) Produit (P)
d [P ]
dt=
−d [S ]dt
= k [ S ]1
La cinétique chimique
Les réactions chimiques ne sont pas toujours si simples...
Une réaction de deuxième ordre
– La vitesse se mesure en M sec-1.– La concentration du substrat (S) en M.– La constante de vitesse (k) donc en M-1sec-1.
Substrat (S) + Substrat (S) Produit (P)
d [P ]
dt=
−d [S ]dt
= k [ S ]2
La cinétique chimique
Les réactions chimiques ne sont pas toujours si simples...
Une réaction de zéro ordre
– La vitesse se mesure en M sec-1.– La concentration du substrat (S) n'est pas important.– La constante de vitesse (k) donc en M sec-1.
Substrat (S) Produit (P)
d [P ]
dt=
−d [S ]dt
= k [ S ]0
Catalyseur
La cinétique chimique
Comment mesurer l'ordre d'une réaction?
Regarde ln(vitesse) en fonction de ln([S])
– La pente donne l'ordre.
d [P ]
dt= k [S ] x ; ln
d [P]
dt = ln k x ln [ S ]
ln([S])
ln(vitesse) pente ordre (x)
ln(k)
La cinétique chimique
Les équations de vitesse peuvent être integrées pour donner une description de l'évolution des concentrations dans le temps...
d [ S ]dt
= −k [S ]0
∫ d [S ] = −∫ k dt[S ] = −kt
[S t ] = max 0,[ S0]−kt[Pt ] = min kt ,[S0 ]
temps
[ ]
[P]
[S]
la pente = k
La cinétique chimique
Les équations de vitesse peuvent être integrées pour donner une description de l'évolution des concentrations dans le temps...
d [S ]dt
= −k [ S ]1
∫d [S ][S ]
= −∫ k dt
ln [S ] = −kt [ S ] = e−kt
[S t ] = [ S0]e−kt
[P t ] = [S0] 1−e−kt temps
[ ]
[P]
[S]
La cinétique chimique
Un graphique du ln([S]) en fonction du temps donne une droite avec pente -k pour une réaction de premier ordre.
[S t ] = [ S0]e−kt
ln [S t ] = ln [ S0]−kt
temps
ln([S])
ln([S0])
pente -k
Une réaction réversible
Pour une réaction réversible les choses sont légèrement plus complexes...
Substrat (S) Produit (P)
d [P ]
dt=
−d [S ]dt
= k1[ S ]−k−1[P ]
k+1
k-1
Une réaction réversible
La réaction réversible va vers une équilibre...
Substrat (S) Produit (P)
d [P]dt
= 0
k1[S∞ ] = k
−1[P∞]
k+1
k-1
K eq =[P∞ ]
[S∞ ]=
k1
k−1
d [P ]
dt=
−d [S ]dt
= k1[ S ]−k−1[P ]
Une réaction réversible
La réaction réversible va vers une équilibre...
Substrat (S) Produit (P)k
+1
k-1
d [ S ]dt
= k−1[P]−k1[S ]
d [S ]dt
= k−1[P]−k1[ S ]−k−1[P∞]k1[S∞ ]
d [S ]dt
= k−1[P]−[P∞]−k1[ S ]−[S∞]
Une réaction réversible
La réaction réversible va vers une équilibre...
Substrat (S) Produit (P)k
+1
k-1
mais [P]−[P∞] = −[S ]−[S∞ ]
etd [S ]−[S∞ ]
dt=
d [ S ]dt
d [ S ]−[S∞]
dt= −k−1k1[ S ]−[S∞]
Une réaction réversible
La réaction réversible va vers une équilibre...
Substrat (S) Produit (P)k
+1
k-1
d [ S ]−[S∞]
dt= −k−1k1[ S ]−[S∞]
∫d [S ]−[ S∞]
[S ]−[S∞ ]= −∫ k−1k1dt
ln[S ]−[S∞] = k−1k1t
[S t] = [ S∞][ S0]−[S∞ ]e−k−1k1 t
La constante de vitesse apparente est la somme des deux constantes de vitesses pour les réactions partielles.
La cinétique chimique
Conclusions– L'ordre cinétique d'une réaction renseigne sur le
mecanisme de la réaction.– La vitesse d'une réaction depend
des concentrations des réactifs et d'une constante de vitesse reliées par une equation de vitesse.
Le constant de vitesse
La théorie des états de transition
La constante de vitesse
Pour une réaction chimique très simple...
Que determine la constante de vitesse de la réaction?
Une resolution par la théorie des états de transition...
Substrat (S) Produit (P)
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:
Ca correspond a la structure avec la plus haute energie libre pendant la réaction.
S‡ PS
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:
S‡
P
S
Déroulement de la réaction
EnergieLibre G
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:
S‡
P
S
Déroulement de la réaction
EnergieLibre G
G‡
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:– Supposons:
– Une equilibre entre les états S et S‡
– Une decomposition de S‡ en P limité par la fréquence d'une liaison qui se brise.
S‡ PSK‡
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:
– Une equilibre entre les états S et S‡
– Une decomposition de S‡ en P limité par la fréquence d'une liaison qui se brise.
S‡ PSK‡
d [P ]
dt= [S‡ ]
[S ‡]
[S ]= K ‡ ; G ‡
= −RT ln K ‡
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:
– Une valeur de peut egalement être determiner de 6,2 10+12 sec-1 à 25°C.
S‡ PSK‡
≈k B T
h
d [P ]
dt= e
−G ‡
RT [S ]
La constante de vitesse
La réaction chimique passe par une état de transition:
– Il est egalement possible de decomposer l'energie libre de l'état de transition...
S‡ PSK‡
d [P ]
dt=
k B T
he−G ‡
RT [S ]; ks p =k B T
he−G‡
RT
G‡= H ‡
−T S‡
La constante de vitesse
La constante de vitesse d'une réaction chimique dépend de:
– L'énergie libre de l'état de transition,– La temperature (d'une facon un peu complexe).
k s p =k BT
he−G ‡
RT
Le cinétique enzymatique
Catalyseurs et vitesse.
Catalyseurs – Enzymes
Les composants actives du suc de levures sont des « enzymes »
Elles ont un pouvoir catalytique impressionnant.
Comment ça marche?
Catalyseurs – Enzymes
Les enzymes ne changent pas l'equilibre d'une reaction (G°)
Elles changent la constante de vitesse des réactions en modifiant l'état de transition.– Sa structure S‡ et
– Sa energie libre G‡
S‡
P
S
Déroulement de la réaction
EnergieLibre G
G‡
G°
S‡
Catalyseurs – Enzymes
Les enzymes ne changent pas lors de la catalyse...
Une cycle catalytique. Pour simplicité nous
considerons des systèmes avec.– Peu d'enzymes– Sans accumulation de
produits
EnzymeE
ComplexeES
SubstratS
ProduitP
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
ES E+PE+SK
sk
cat
Liaison des substrats rapide et reversible avec une constante de dissociation de K
s.
Réaction de premier ordre pour la production de produit avec une constante de vitesse de k
cat.
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
ES E+PE+SK
sk
cat
d [P ]
dt= v = kcat [ES]
K s =[E ][ S ][ES ]
Ks est une constante de
dissociation en unités de M.
La concentration totale de Enzyme reste constante...
[E totale ] = [E ][ES ]
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
ES E+PE+SK
sk
cat
d [P ]
dt= v = kcat [ES ]
[ES ] =[E totale] [S ]
K s[S ]
Equation de Michaelis Menten
v =kcat [E totale ][S ]
K s[S ]
v =V max [S ]
K M[S ]
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
ES E+PE+SK
sk
cat
Equation de Michaelis Menten
v =kcat [E totale ][S ]
K s[S ]
v =V max [S ]
K M[S ]
Version derivé de l'analyse en terme des paramétres moléculaires.
Version phenomenologique et usuel de l'equation. Plus utile?
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
v =V max [S ]
K M[S ]
Si:
[S ] ≫ K M ; v ≈V max [S ]
[ S ]= V max
[S ] = K M ; v =V max K M
K MK M
=V max
2
[S ] ≪ K M ; v ≈V max [S ]
K M
v
[S]
KM
Vmax
Vmax
/2
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
v =k cat[E totale] [S ]
K M[ S ]
Si :
[S ] ≫ K M ; v ≈ kcat [E totale]
réaction de premièreordre
[S ] ≪ K M ; v ≈k cat
K M
[E totale] [S ]
réaction de deuxièmeordre
v
[S]
KM
Vmax
Vmax
/2
La cinétique enzymatique.
Analyse de Michaelis et Menten (1913)
Equation de Michaelis Menten
v =kcat [E totale ][S ]
K M[S ]
v =V max [S ]
K M[S ]
La courbe est caracterisée par deux paramètres de l'enzyme:
kcat
: sa pouvoir catalytique. (la
constante catalytique)K
M : sa affinité ( la constante de
Michaelis)
et leur rapport:k
cat/K
M : la constante de spéciticité
La cinétique enzymatique.
Un petit mot pratique:– Vitesse en chimie (Molaire par seconde)
– Vitesse en biochimie (Molaire par minute)
– Une unité d'activité enzymatique (U) est 1mole min-1 mesure de la quantité d'enzyme.
– Vitesse est en U l-1.
– Souvent nous connaissons les mg de protéine et pas les moles d'enzyme...
U (mg protéine)-1 est l'activité specifique.
U (μmole enzyme)-1 est kcat
(la constante catalytique)
La cinétique enzymatique.
Analyse de Briggs et Haldane (1925)
ES E+PE+Sk
+2
v = k2 [ES ][E totale] = [E ][ES ]
presumeuneetat dynamiquestabled [ES ]
dt= 0 = k1[E ] [S ]−k−1k2[ES ]
k+1
k-1
La cinétique enzymatique.
Analyse de Briggs et Haldane (1925)
ES E+PE+Sk
+2
v =k2[E totale] [S ]
k−1k2
k1
[ S ]
k+1
k-1
V max = k2 [E totale ]
K M =k−1k
2
k1
La cinétique enzymatique.
Analyse de Briggs et Haldane (1925)
ES E+PE+Sk
+2
k+1
k-1
Differentes suppositions (modèle) mais la meme resultat!!!Differente interpretation des paramètres...
Equation de Michaelis Menten
v =V max [S ]
K M[S ]
La cinétique enzymatique.
Souvent les cinétiques enzymatiqes suivent l'equation de Michaelis et Menten.– k
cat : la constante catalytique souvent nommé
« turnover number », une mesure de la vitesse maximale de l'enzyme.
– KM : la constante de Michaelis, une mesure
d'affinité de l'enzyme pour sa substrat.
– kcat
/KM : la constante de spécificité.
Représentations graphiques
Pas pratique pour l'evaluation des paramétres K
M et V
max
sans un ordinateur...
v =V max [S ]
K M[S ]
v
[S]
KM
Vmax
Représentations graphiques
Transformations linéaires– Lineweaver et Burk
v =V max [S ]
K M[S ]
1v=
1V max
K M
V max
×1[S ]
1/v
0 1/[S]
1/Vmax
-1/KM
pente KM/V
max
Représentations graphiques
Transformations linéaires– Eadie et Hofstee
v =V max [S ]
K M[S ]
v = V max−K M×v[ S ]
v
v/[S]
Vmax
Vmax
/KM
pente -KM
Enzymes et métabolisme
Les réactions dans une cellule dependent des enzymes présentes.– Les enzymes accellerent des réactions.– Elles choisissent les réactions qui vont avoir lieu.
Régulation du Métabolisme
S'adapter ou mourir
Régulation du métabolisme
Les voies métaboliques sont fortement régulées
Toutes les différentes réactions sont coordonnées– Les cellules ne dégradent pas une substance dont
elles ont besoin!
Les enzymes qui accélèrent des réactions peuvent être arrêtés!
Régulation du métabolisme
Les points de régulation sont des réactions hors équilibre.
Dans l'exemple que nous avons regardé il y en a 6.
La modification de l'activité de ces enzymes dans la cellule changera le flux métabolique.
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
Régulation des réactions
Trois stratégies différentes...– Modifier les taux des enzymes (leur quantité)– Modifier l'activité des enzymes présentes (leur
vitesse)– Modifier l'accessibilité des enzymes.
Pas forcement une seule à la fois. Différentes méthodes s'opèrent à des vitesses
différentes.
Régulation des réactions
Variations des taux d'enzymes– Expression des gènes et dégradation des protéines.– Lente (une petite heure)
Variation de l'activité de l'enzyme– Modification chimique– Liaison d'un inhibiteur– Rapide (secondes)
Variation de l'accessibilité– Modification des transporteurs (leur taux ou leur activité).
Régulation de l'activité enzymatique
PhosphofructokinaseActivation du substrat
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Récupération d'énergie
Élimination des déchets
Fructose 1,6 bis-Phosphate
CH2OPO
3
2-
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
Fructose 6 Phosphate
CH2OH
HOHH
CH2OPO
3
2-
HO
OHOH
CCCC
ATP ADP
Régulation de l'activité enzymatique
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
[Fructose-6-Phosphate]
Vite
sse
de r
éact
ion
[ATP]faible
[ATP]fort
Le substrat (ATP) est un inhibiteur
Régulation de l'activité enzymatique
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
[Fructose-6-Phosphate]
Vite
sse
de r
éact
ion
[ATP]+
[AMP]
[ATP]fort
Le AMP détruit cet effet.
Régulation de l'activité enzymatique
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
OOPO
3
2-
CH2OH
2-O3POH
2C
H
H
H
OH
OH
Fructose 2,6 bis phosphate est un régulateur
Régulation de l'activité enzymatique
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
[Fructose-6-Phosphate]
Vite
sse
de r
éact
ion
[F26BP]faible
[F26BP]fort
Régulation de l'activité enzymatique
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
Fructose-6-Phosphate
Fructose-2,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase2
Pi
ATP ADP
H2O
Régulation de l'activité enzymatique
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
Fructose-6-Phosphate
Fructose-2,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase2
Enz-P
Enz
Régulation de l'activité enzymatique
Fructose-6-Phosphate
Fructose-2,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase2
Enz-P
Enz
Signal externe...
Taux des enzymesActivité des enzymesAccès aux substrats des enzymes
Régulation de l'activité enzymatique
Fructose-6-Phosphate
Fructose-2,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase2
Enz-P
Enz Signal externe
Fructose-1,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase
ATP
AMP
ATP
Régulation de l'activité enzymatique
Régulation par:● Énergie,● Substrats● Environnement
de la cellule
Fructose-6-Phosphate
Fructose-2,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase2
Enz-P
Enz Signal externe
Fructose-1,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase
ATP
AMP
ATP
Régulation des taux d'enzyme
Dans la levure : plusieurs transporteurs...
– HXT1-17– GAL2– SNF3– RGT2
De la famille MFS (Major facilitator superfamilly)
Saccharomyces très riche en transporteurs MFS.
Régulation des taux d'enzyme
Régulation d'un transporteur passif!
Transport passif mais hors-équilibre.
Système de régulation complexe des multiples transporteurs
– Régulation transcriptionelle des gènes.
– Régulation de l'activité– Régulation de la stabilité.
Import HXT1/2
Hexokinase
Phosphoglucoisomerase
Phosphofructokinase
Aldolase
Triose phosphare isomerase
Glyceraldehyde 3 phosphate deshydrogenase
Phosphoglycerate kinase
Phosphoglyceromutase
Enolase
Pyruvate Kinase
Pyruvate decarboxylase
Alcool deshydrogenase
Régulation des taux d'enzyme
HXT1 transporteur à basse affinité (100mM)
HXT3 transporteur à moyenne affinité (50mM)
HXT2,6 et 7 transporteurs à haute affinité (1-2mM)
HXT4 transporteur à moyenne affinité (10mM).
Les autres? HXT2,6 et 7
HXT4
HXT3HXT1
Signalisation et biochimie cellulaire
Comment sentir l'extérieur
Signalisation et régulation
HXT1 transporteur à basse affinité (100mM)
HXT3 transporteur à moyenne affinité (50mM)
HXT2,6 et 7 transporteurs à haute affinité (1-2mM)
HXT4 transporteur à moyenne affinité (10mM).
Les autres? HXT2,6 et 7
HXT4
HXT3HXT1
Régulation du métabolisme
Plusieurs voies de régulation et de signalisation chevauchantes... c'est complexe.
– Induction de gènes par le glucose (Rgt1)
– Répression de gènes par le glucose (Mig1)
– Régulation globale par le glucose (Gpr1)
Voie de Rgt1
Rgt1 est un répresseur de transcription qui est actif sans glucose.
Elle a besoin de deux autres molecules pour bien lier à l'ADN– Mth1– Std1
Rgt1
CGGANNA
Mth1 Std1
hxt1-4
Voie de Rgt1
Rgt1 est un répresseur avec Mth1 et Std1.
Deux des « transporteurs » de glucose Rgt2 et Snf3 sont des détécteurs/senseurs.
Les senseurs ont également une affinité pour Mth1 et Std1
Les senseurs s'associent avec une protéine kinase Yck1 ou Yck2.
Rgt1
CGGANNA
Mth1 Std1
hxt1-4
Rgt2Snf3
Mth1 Std1Yck1/2
Voie de Rgt1
En présence de glucose...– Les senseurs Snf3/Rgt2
activent la kinase Yck1/2– La kinase phosphoryle
Mth1 et Std1.– Les formes phosphorylées
ne se lient plus ni à Rgt1 ni aux senseurs (Snf3/Rgt2).
– Rgt1 ne lie plus l'ADN et les gènes (hxt1-4 incluses) sont induit.
Rgt1
CGGANNA hxt1-4
Rgt2Snf3
Mth1
Std1
Yck1/2
P
P
Voie de Rgt1
De plus, pour rendre le tout « irréversible » les formes phosphorylées de Std1 et Mth1 sont prises en charge par Grr1 qui les envoi pour etre ubiquitinylées et dégradées
Rgt1
CGGANNA hxt1-4
Rgt2Snf3
Mth1
Std1
Yck1/2
PPGrr1
Voie de Rgt1
GlucoseSnf3Rgt1
Yck1Yck2
Std1-PMth1-P
Std1Mth1
Grr1
Rgt1hxt1hxt2hxt3hxt4
Voie de Mig1
Mig1 est un represseur de transcription actif que en présence de glucose.
Il ne se lie à l'ADN que en présence de co-represseur– Med8 ou– Hxk2 (Hexokinase 2)
dimerique. Mig1hxt2/4Med8
Hxk2 Hxk2
Voie de Mig1
Mig1 est un represseur de transcription actif que en presence de glucose.
Hxk2 existe sous deux formes:– un monomère phosphorylé
et actif et – un dimère dephosphorylé,
inactif qui peut entrer dans le noyau.
Mig1hxt2/4Med8
Hxk2 Hxk2
?
Hxk2Hxk2
Hxk2 P
?
Voie de Mig1
Mig1 peut egalement etre phosphorylé par Snf1
Mig1hxt2/4Med8
Hxk2 Hxk2
?
Mig1P
Mig1
?
Snf1
Voie de Mig1
Mig1 est un represseur de transcription actif que en presence de glucose.
Hxk2 existe sous deux formes:– un monomère phosphorylé
et actif et – un dimère dephosphorylé,
inactif qui peut entrer dans le noyau.
Mig1hxt2/4Med8
Hxk2 Hxk2
?
Hxk2Hxk2
Hxk2 P
Voie de Rgt1 et Mig1
GlucoseSnf3Rgt1
Yck1Yck2
Std1-PMth1-P
Std1Mth1
Grr1
Rgt1hxt1hxt2hxt3hxt4
Mig1
Med8(Hxk2)
2
Snf1
Mig1-P
Hxk2-P
?
?
Régulation par glucose externe
Signalisation du glucose– Détecteur– Transmission du signal– Effecteurs
Dans la levure il existe un système de détection de glucose
– en plus de celui déjà vu– même en absence du
métabolisme.
Glucose
Levure
Stockage desGlucides
Résistance au stress
Croissance
Diffférentiation
Longeur de vie
Grr1Rgt1Mig1 Tpk123
Voie de Gpr1
Tpk est la protéine kinase A (PKA) un point central a la régulation cellulaire.
Aussi beaucoupd'autres effets.
Fructose-6-Phosphate
Fructose-2,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase2
Enz-P
Enz Tpk1/2/3
Fructose-1,6-bis Phosphate
Phosphofructokinase
ATP
AMP
ATP
Voie de Gpr1
Gpr1 est un RCPG (récepteur couplé aux protéines G.)
Il active l'adénylate cyclase Cyr1
Qui produit un second messager AMPcyclique.
Qui active le PKA.
cAMP
Gpr1Cyr1
Tpk1
PFK2
Voie de Gpr1
Intégré avec autres voies de signalisation...
PKA/Tpk1-2-3 ont plusieurs différents substrats.
cAMP
Gpr1Cyr1
Tpk1
PFK2
Ras1/2
Métabolisme et Régulation
Régulation a plusieurs niveaux:– Gènes– Protéines– Métabolites.
La régulation est un processus dynamique.
Régulation par plusieurs facteurs:– Interieur– Extérieur.
Points spécifiques de régulation.
Importance de la signalisation.
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