métabolisme énergétique physiologique et adaptation j. duranteau université paris-sud xi...
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Métabolisme énergétique Métabolisme énergétique physiologique et adaptationphysiologique et adaptation
J. DuranteauJ. DuranteauUniversité Paris-Sud XIUniversité Paris-Sud XI
Hôpital de BicêtreHôpital de Bicêtre
Métabolisme énergétiqueMétabolisme énergétique
Nutriments fournissant Nutriments fournissant de l’énergiede l’énergie
Glucides, Graisses, ProteinesGlucides, Graisses, Proteines
Produits pauvresProduits pauvresen énergieen énergieCOCO22, H, H22OO22, NH, NH33
PrécurseursPrécurseursAA, Sucres, AG,AA, Sucres, AG,Bases azotéesBases azotées
MacromoléculesMacromoléculesCellulairesCellulaires
Proteines, polysaccharides, Proteines, polysaccharides, lipides, Acides Nucléiqueslipides, Acides Nucléiques
ADPADPNADNAD++
NADPNADP++
FADFAD++
ATPATPNADHNADHNADPHNADPHFADHFADH22
Métabolisme énergétiqueMétabolisme énergétique
Réactions d’oxydation-réduction : Réactions d’oxydation-réduction : un substrat pert des électrons un substrat pert des électrons
(oxidation) (oxidation) un substrat gagne des électrons un substrat gagne des électrons
(réduction)(réduction)
AA BB B reduitB reduitA oxydéA oxydé
RéductionRéduction
OxydationOxydation
Métabolisme énergétiqueMétabolisme énergétique
Métabolisme énergétiqueMétabolisme énergétique
Métabolisme énergétiqueMétabolisme énergétique
MitochondrieMitochondrie
MitochondrieMitochondrie
Les mitochondries contiennent de l’ADN. Les mitochondries se reproduisent par division comme les bactéries, indépendamment de la cellule hôte.
La théorie endosymbiotique estime que les mitochondries des eucaryotes actuels sont les descendantes de bactéries aérobies primitives qui ont colonisé une bactérie-ancêtre anaérobique, permettant à cette dernière de développer un métabolisme aérobique.
MitochondrieMitochondrieChaîne respiratoire
ComplexeNADH-
déshydrogénase(I)
ComplexeNADH-
déshydrogénase(I)
ComplexeSuccino-
déshydrogénase(II)
ComplexeSuccino-
déshydrogénase(II)
Complexeb-c1(III)
Complexeb-c1(III)
Complexecytochrome-
oxidase(IV)
Complexecytochrome-
oxidase(IV)
NAD
NADH
FAD
FADH2H+
H+
H+
H+
H+
H+
cycle de l’acide citriquepyruvate
ß-oxydationnavette malate-aspartate
cycle de l’acide citriqueß-oxydation
e- UQ
e-
transportd’électrons
navetteglycérol-phosphate
UQ
e-
e-
ubiquinone
ATP-synthaseATP-synthase
espace inter-membranaire
matrice
UQ
CytochromeC
e-
O2
H2O
H+
H+
membraneinterne
ATPATP+ Pi
MitochondrieMitochondrie
I II III IV V
H+ H+H+
ATPNAD NADH FAD FADH 2
KREBS CO2
ß-OH Butyrate Acétoacétate
NAD NADH
Cétogenèse
AcétylCoA
I II III IV V
H+ H+H+
ATPNAD NADH FAD FADH 2
ß-oxydation
AcylCoA Pyruvate
Pyruvate
Chaîne respiratoire
AcylCoA
AG libreCytosol
Carnitine
Carnitine
I, II, III, IV, V = complexes de la cha îne respiratoireLDH = Lactate deshydrogénase
NAD NADH
LactateLDH
Glucose
NADH
NAD
H+ H+ H+
+ + + + + + + + + +
IIII
IVF0
F1
- - - - - - - - -1/2 02
2 H+ H20ADPPi
ATPH+
Matrice
Espace intermembranaire
MitochondrieMitochondrie
MembraneMatrice
- - - -+ + + +
H+ H+
e-
O2
H2O ADP+Pi
ATP
MitochondrieMitochondrie
L’energie libre libérée par le flux L’energie libre libérée par le flux électronique le long de la chaine respiratoire électronique le long de la chaine respiratoire est couplée au transfert des protons de est couplée au transfert des protons de l’espace intermembranaire vers la matrice l’espace intermembranaire vers la matrice générant un gradient électrochimique.générant un gradient électrochimique.
Ce potentiel de membrane supporte plusieures Ce potentiel de membrane supporte plusieures fonctions mitochondriales dont la synthèse fonctions mitochondriales dont la synthèse d’ATP.d’ATP.
Stockage énergieStockage énergie
ATP ATP 11009 9 molmolécécuules dles d’’AATP dans celluleTP dans cellule Remplacé en 1-2 minRemplacé en 1-2 min
GlycogGlycogèneène dans le cytoplasme dans le cytoplasme RRéséseerve pour 1j chez l’ hommerve pour 1j chez l’ homme
GraissesGraissesRRéséseerve de 30j chez l’ hommerve de 30j chez l’ homme
AugmentationAugmentation
(effet anabolique)(effet anabolique)DiminutionDiminution
Métabolisme des Métabolisme des hydrates de hydrates de carbonecarbone
Transport du glucoseTransport du glucose
Glycolyse (musculaire)Glycolyse (musculaire)
Glycogénèse (hépatique)Glycogénèse (hépatique)
GluconéogénèseGluconéogénèse
GlycogénolyseGlycogénolyse
Métabolisme des Métabolisme des lipideslipides
Synthèse des Synthèse des triglycéridestriglycérides
Synthèse des acides grasSynthèse des acides gras
LipolyseLipolyse
CétogénèseCétogénèse
Oxydation des acides Oxydation des acides gras gras
Métabolisme des Métabolisme des protidesprotides
Transport des acides Transport des acides aminésaminés
Synthèse protéiqueSynthèse protéiqueCatabolisme protéiqueCatabolisme protéique
Entrée de potassium dans Entrée de potassium dans la cellulela cellule
InsulineInsuline
InsulineInsuline
Greet Van Den Berghe et al. J. Clin Invest. 2004Greet Van Den Berghe et al. J. Clin Invest. 2004
Résistance à l’insuline / Résistance à l’insuline / intolérance glucidique / intolérance glucidique /
hyperglycémiehyperglycémie
5.7±1.1 mmol/L5.7±1.1 mmol/L
8.5±1.8 mmol/L8.5±1.8 mmol/L
Greet Van Den Berghe et al. N Engl J Med Greet Van Den Berghe et al. N Engl J Med 2001;345:1359-672001;345:1359-67
Vanhorebeek L. et al. Lancet, 2005, 365:53Vanhorebeek L. et al. Lancet, 2005, 365:53--5599
Strict blood glucose control witinsulin in critically ill patients protectshepatocytic mitochondrial ultrastructure and function
Greet Van Den Berghe et al. N Engl J Med 2006Greet Van Den Berghe et al. N Engl J Med 2006
MitochondrieMitochondrie
FMN Fe/S
Fe/SFAD
CoQ Cyt c Cyt aCyt a3 Fe/Cu
NADH
Succinate
Cyt b Cyt c1Fe/S O2
INADH
dehydrogenase
IISuccinate
dehydrogenase
IVCytochrome c
oxidase
IIICoenzyme Q-
cyto c reductase
O2-
Taux basal
Augmentation Modérée et transitoire
Déséquilibre par augmentationExcessive et prolongée du stress oxydatif
Espèces radicalaires Espèces radicalaires de l’oxygène (ERO)de l’oxygène (ERO)
Substances antioxydantesSubstances antioxydantesenzymatiquesenzymatiques
SOD, SOD, Catalase, GSH peroxydaseCatalase, GSH peroxydaseNon enzymatiquesNon enzymatiques
Glutathion, Vitamines A, C, EGlutathion, Vitamines A, C, E
Production d’EROProduction d’ERO
00 1010 2020 3030 4040 5050 606000
11
22
33
44 NormoxiaNormoxiaNormoxiaNormoxiaO
xy
gen
up
tak
e (
µm
ol/h
r/m
illio
n c
ells
)O
xy
gen
up
tak
e (
µm
ol/h
r/m
illio
n c
ells
)
Time (hrs)Time (hrs)
Hypoxia or normoxiaHypoxia or normoxia
120 torr 22 or 120 torr 120 torr120 torr 22 or 120 torr 120 torr
NormoxiaNormoxiaHypoxiaHypoxia
P.T. Schumacker et al. Am.J. Physiol.L395-L402, 1993.P.T. Schumacker et al. Am.J. Physiol.L395-L402, 1993.
0 10 20 30 40 50 600
0.2
0.4
0.6
0.8 recNormoxiaL
act
ate
(m
M/L
)
Time (hrs)
Hypoxia or normoxia
120 torr 22 or 120 torr 120 torr
Ano
NormoxiaNormoxiaHypoxiaHypoxia
P.T. Schumacker et al. Am.J. Physiol.L395-L402, 1993.P.T. Schumacker et al. Am.J. Physiol.L395-L402, 1993.
00 6060 120120 180180 240240 300300 360360 42042000
1010
2020
3030
4040
5050
6060
7070
8080
9090
100100
110110
120120 recoveryrecovery Hypoxia 20 torr Hypoxia 20 torr T
ota
l mo
tio
n (
% o
f c
on
tro
l val
ue
s)T
ota
l mo
tio
n (
% o
f c
on
tro
l val
ue
s)
Times (min)Times (min)
J. Duranteau et al. J. Biol. Chem. 273:11619-11624. 1998.J. Duranteau et al. J. Biol. Chem. 273:11619-11624. 1998.
0 60 120 180 240-200
0
200
400
600
800
1000
1200
Hypoxia
Hypoxia
Normoxia 15% 02
Hypoxia 5% 02
Hypoxia 3% 02
Hypoxia 1% 02
DC
FH
(%
of
init
ial
valu
es)
0 60 120 180 2400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
To
tal
mo
tio
n (
% o
f in
itia
l va
lues
)
Times (min)
J. Duranteau et al. J. Biol. Chem. 273:11619-11624. 1998.J. Duranteau et al. J. Biol. Chem. 273:11619-11624. 1998.
0 60 120 180 2400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110 RecoveryHypoxia
Hypoxia + Phen-MPG HypoxiaT
ota
l m
oti
on
(%
of
init
ial
va
lue
s)
Time (min)
J. Duranteau et al. J. Biol. Chem. 273:11619-11624. 1998.J. Duranteau et al. J. Biol. Chem. 273:11619-11624. 1998.
0 60 120 180 240 300 360 4200
20
40
60
80
100
RecoveryH2O2 25M
To
tal m
oti
on
(%
of
init
ial v
alu
es)
Time (min)
0 60 120 180 2400
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Azide
Azide
0.75 mM 1 mM 2 mM 5 mM
DC
FH
(%
of
init
ial
valu
es)
0 60 120 180 2400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
To
tal
mo
tio
n (
% o
f in
itia
l va
lues
)
Times (min)
Takehara et al. Arch. Biochem. Biophys.323, 27-32, 1995.
Oxygen (µM)Oxygen (µM)
0 5 10 150 5 10 15 Time (min)Time (min)
200200
100100
00
MtMt
SuccSucc
ADP 350 µMADP 350 µM
NONO
0.4 1.0 2.0 3.0 µM0.4 1.0 2.0 3.0 µM
Brown GC, Cooper CE, FEBS Lett.356, 295-298, 1994.
Oxygen Oxygen consumptionconsumption
NO electrodeNO electrode
Cytochrome oxidaseCytochrome oxidase
1 µM NO
1 µM NO
1 µM NO
1 µM NO
Takehara et al. Arch. Biochem. Biophys.323, 27-32, 1995.
Oxygen (µM)Oxygen (µM)
0 5 10 150 5 10 15 Time (min)Time (min)
200200
100100
00
MtMt
SuccSucc
ADP 600 µMADP 600 µM
NO (0.8 µM)NO (0.8 µM)
NONO
NONO
NONO
00 6060 120120 180180 240240 300300 360360 42042000
1010
2020
3030
4040
5050
6060
7070
8080
9090
100100
110110
120120 Normoxia or end NONormoxia or end NO Hypoxia or NO 0.2 µM Hypoxia or NO 0.2 µM
NO 0.2 NO 0.2 M M
HypoxieHypoxie
Time (min)Time (min)
To
tal
mo
tio
n
To
tal
mo
tio
n
(% o
f in
itia
l va
lues
)(%
of
init
ial
valu
es)
Réponse au stress hypoxiqueRéponse au stress hypoxique
BesoinsBesoinsmétaboliquesmétaboliquesATPATP
OO22
VEGFVEGF glycolyseglycolyse
GLUT-1GLUT-1
EPOEPO iNOSiNOS HIF1HIF1
ProteinesProteinesDe stressDe stress