Présentation générale des grandes voies métaboliques

Introduction

La figure associée à cette fiche présente les principales voies métaboliques rencontrées chez les animaux. Le modèle choisi est l’hépatocyte qui est capable de réaliser toutes ces voies métaboliques. Il manque le cycle de Calvin, qui correspond à la production de matière organique par capture du CO₂ : il est réalisé par les organismes autotrophes comme les plantes. Il manque également la voie de la nitrogénase qui permet la rentrée de l’azote, sous forme d’ammoniac, dans la matière organique : cette réaction, essentielle pour la synthèse des acides aminés, est surtout réalisée par des microorganismes du sol. Ce qu’il retenir de cette fiche, c’est l’interrelation entre les voies, qui permet de répondre aux besoins de la cellule et de ne jamais (théoriquement) avoir de voies métaboliques bloquées.

Vocabulaire

Anabolisme : processus/réaction de synthèse des molécules = flèches vertes sur la figure ;

Catabolisme : processus/réaction de dégradation des molécules = flèches bleues sur la figure ;

Chaîne respiratoire : ensemble de réactions réalisées par des protéines de la membrane interne de la mitochondrie, qui permet de transférer électrons et protons depuis les cofacteurs réduits vers $\mathrm{O_2}$ : 

Cofacteurs réduits $\mathrm{+ O_2 \longrightarrow}$ cofacteurs oxydés $\mathrm{+ H_2O}$

Les protons surnuméraires sont accumulés dans l’espace intermembranaire mitochondrial et créent une force proton-motrice (gradient de concentration). Cette force est exploitée par la $\mathrm{F_1F_0ATP}$synthase pour resynthétiser l’ATP ;

CoA : coenzyme $\mathrm{A}$. Molécule souvent associée à des métabolites, impliqués dans les réactions d’acylation (synthèse des acides gras $\mathrm{= AG}$). Il possède une fonction thiol très réactive ;

Cofacteurs : molécules capables de capturer des électrons et dont la charge est équilibrée par l’adjonction de protons ($\mathrm{H^+}$) = ils sont alors réduits. Lors de réactions de synthèse, il peut arriver que des électrons se trouvent en trop dans l’équation, ils sont alors captés par ces cofacteurs. Les cofacteurs sont réoxydés soit grâce à la chaîne respiratoire, soit dans d’autres voies métaboliques comme la biosynthèse des $\mathrm{AG}$, très consommatrice de cofacteurs réduits ;

Cycle : ensemble de réactions permettant la synthèse de métabolites, et qui se termine par la resynthèse du premier intervenant de la réaction de synthèse = le dernier produit de la réaction de synthèse de métabolite correspond au réactif de la première réaction de synthèse de métabolite ;

Hélice : réaction en chaîne sur le même substrat qui permet d’en augmenter la taille, ou de le dégrader. Il s’agit de la même réaction répétée plusieurs fois. Pour les $\mathrm{AG}$, il s’agit d’ajouter successivement une molécule de type $\mathrm{C_2}$ à une autre. A chaque tour, le substrat grandit de deux atomes de carbones. L'inverse existe également : l'hélice de Lynen permet la dégradation, $2$ carbones à la fois, des lipides = béta-oxydation. L'opération se reproduit jusqu'à n'obtenir q'une molécule à $2$ atomes de carbone ;

Navettes : les cofacteurs ne peuvent pas rentrer dans la mitochondrie, ou en sortir. Ils transfèrent alors leurs charges à des messagers (malate/aspartate) qui naviguent entre cytoplasme et mitochondrie et amènent les charges à des cofacteurs oxydés de la mitochondrie. Ces cofacteurs sont ensuite pris en charge par la chaîne respiratoire ;

Vitamine : molécule qu’un organisme ne peut pas synthétiser. Par exemple, chez l’Homme, il existe $9$ acides aminés qui sont des vitamines : $\mathrm{W, M, V, T, F, L, I, C, K}$. Chez le nourrisson, H est également une vitamine.

Voies

Le chemin métabolique classique démarre aux glucides et se poursuit vers les lipides. Les protéines sont à part même s’il existe des voies bidirectionnelles entre le cycle de Krebs et les acides aminés.

À partir des hexoses (fructose, glucose et galactose) :

• Synthèse d’un polyoside de réserve : le glycogène. Il peut être dégradé en glucose par la suite ;
• Synthèse d’oses impliqués dans la fabrication de macromolécule (acides nucléiques) : voie des pentoses-P. Elle produit beaucoup de cofacteurs réduits, dirigés vers la chaîne respiratoire, ou la synthèse des $\mathrm{AG}$ ;
• Dégradation des hexoses en pyruvate via la glycolyse. Pendant le processus, production de cofacteurs réduits et d’un peu d’ATP par transphosphorylation (métabolite-$\mathrm{P + ADP \longrightarrow}$ métabolite + ATP).

À partir du pyruvate :

• Néosynthèse des hexoses : néoglucogénèse ;
• Synthèse d’acétyl$\mathrm{CoA}$.

À partir de l’acétyl$\mathrm{CoA}$ :

• Synthèse des $\mathrm{AG}$ via l’hélice de Wakil :  

$\mathrm{8 ~acétylCoA + 7~ATP + 14~NADPH}$, $\mathrm{H^+ \longrightarrow~palmitate +  8~CoA ~libres + 7 ~ADP + 7 ~Pi + 6 ~H_2O + 14 ~NADP^+ (Pi = phosphate ~inorganique)}$ ;

• Synthèse de lipides de réserve : triglycérides. Estérification de $\mathrm{3 ~AG}$ sur un glycérol ;
• Synthèse des stérols dont le cholestérol ;
• Démarrage du cycle de Krebs : il libère le $\mathrm{CO_2}$ contenu dans la respiration, et produit également $\mathrm{1~ATP}$ et $4$ cofacteurs réduits. Les intermédiaires du cycle de Krebs permettent également la synthèse des acides aminés $\mathrm{(AA)}$ selon la réaction suivante : $\alpha$-cétoacide $\mathrm{+ NH_3 \longrightarrow AA + H_2O}$. La réaction est réversible et permet le recyclage des acides aminés vers le cycle de Krebs, utile dans les régimes hyperprotéinés (pauvres en sucre mais riche en acides aminés) ;
• Synthèse des corps cétoniques : carburant en cas de jeûne prolongé. Ils permettent également l’élimination de l’acétyl$\mathrm{CoA}$, sous forme volatile, en cas de fort apport alimentaire (repas de Noël).

Retour à l’acétyl$\mathrm{CoA}$ :

• Dégradation des corps cétoniques ;
• Dégradation des $\mathrm{AG}$ par l’hélice de Lynen = $\beta$-oxydation : 

palmitate $\mathrm{\longrightarrow 8~acétylCoA + 7 ~NADH, H^+ + 7~FADH^2}$. 

Le cas des acides aminés :

• Synthèse de protéines. Les protéines sont redégradées en acides aminés ;
• Les acides aminés sont recyclés en un grand nombre de composés ($\alpha$-cétoacide) ou permettent l’élimination de l’azote du corps ($\mathrm{NH_3}$ très toxique) sous forme d’urée. La réaction à lieu dans le foie uniquement, à cheval entre le cytoplasme et la mitochondrie.

La chaîne respiratoire

• Elle permet la réoxydation des cofacteurs $\mathrm{(NAD(P)H, H^+ et ~FADH_2)}$ et la synthèse d’ATP. Son principal déchet est l’eau.