Acides Aminés et Protéines

1. Généralités sur les Acides Aminés (AA)

• 21 acides alpha-aminés principaux chez animaux et végétaux, tous de série L sauf glycine (pas de carbone asymétrique).
• Masse moyenne d’un AA : 110 Da (utile pour estimer la masse protéique).
• AA sont amphotères : possèdent au moins 2 fonctions ionisables (COOH acide, NH₂ basique).
• pK : pH de demi-ionisation d’une fonction ionisable.
• pHi (pH isoélectrique) : pH où la charge nette est nulle (forme zwitterionique).
• Liaison peptidique : liaison amide entre AA, libère H₂O, planéaire (sp²), configuration TRANS, chaîne latérale alternée.

2. Classification des Acides Aminés

3. Propriétés physico-chimiques des AA

• Isomérie optique : tous L sauf Gly (achiral), configuration S sauf Cys et sélénocystéine.
• Caractère amphotère : ionisation dépend du pH.
• pHi calculé par moyenne des pKa des groupes ionisables selon la chaîne latérale.
• Charge selon pH :

• Solubilité : maximale en milieu ionisé, minimale au pHi.
• Spectre UV : AA aromatiques absorbent entre 260-280 nm (sauf Phe).

4. Rôles biologiques des AA

• Structure : déterminent la séquence primaire des protéines.
• Catalyse enzymatique : His donneur/accepteur de H⁺, Met donneur de méthyl.
• Métabolisme : précurseurs de neurotransmetteurs, hormones, transporteurs d’ammoniac (glutamine).
• Cycle de Krebs : Ala, Ser → pyruvate; Asp, Asn → oxaloacétate.
• Transamination : transfert de fonction amine pour synthèse et dégradation des AA.

5. Méthodes d’étude

• Électrophorèse : migration selon charge à pH 7.
• Chromatographie échange cationique : séparation selon charge positive à pH acide.
• Chromatographie de partage : séparation selon hydrophobicité.

6. Dérivés bioactifs des AA

7. Acides Aminés Essentiels

• 9 AA essentiels : Ile, Phe, Leu, Thr, Met, Val, Lys, Trp, His.
• Non synthétisés par l’homme, doivent être apportés par l’alimentation.
• Carence → bilan azoté négatif.

À retenir :
Les acides aminés sont des molécules amphotères avec un pHi caractéristique, formant des peptides par liaison peptidique. Leur classification repose sur la nature de leur chaîne latérale, qui détermine leur rôle biochimique, leur polarité et leur implication dans la structure et la fonction des protéines.

1. Peptides et Protéines

a) Définitions et généralités

• Peptide : chaîne de moins de 50 acides aminés (AA) liés par des liaisons peptidiques.
• Protéine : chaîne de plus de 50 AA.
• Liaison peptidique : liaison amide rigide formée par condensation entre un groupement NH₂ et un COOH, libérant H₂O.
• L'azote représente 16% de la masse d'une protéine.
• Les protéines représentent 50% du poids sec cellulaire.
• Types de protéines :
  • Holoprotéines : uniquement AA.
  • Hétéroprotéines : AA + autres molécules.
  • Protéines fibreuses (scléroprotéines) : rôle structural.
  • Protéines globulaires (sphéroprotéines) : rôle fonctionnel (transport, signalisation).

b) Propriétés de la liaison peptidique

• Liaison amide avec délocalisation électronique (mésomérie).
• Configuration trans des carbones α → chaînes latérales alternées → moins d'encombrement.
• Atomes O, N, C sont dans un même plan (hybridation sp²).
• Absorption UV à 210 nm.
• Synthèse chimique possible uniquement en milieu anhydre.
• Cas particulier : Glutathion (Glu-Cys-Gly) avec liaison pseudo-peptidique entre fonction γ-COO⁻ et NH₂, rôle antioxydant.

c) Peptides à activité biologique

d) Structures des protéines

a) Structure primaire

• Séquence linéaire des AA liés par liaison peptidique.
• Mutations ponctuelles peuvent :
  • Ne rien changer.
  • Provoquer perte de fonction (ex : drépanocytose E→V).
  • Modifier fonction (isoformes).

b) Structure secondaire

• Repliement local stabilisé par liaisons faibles (H).
• Deux motifs principaux :
  • Hélice α : hélice droite, 3,6 résidus/tour, 0,54 nm/tour, stabilisée par liaisons H entre liaisons peptidiques, cœur hydrophobe, proline provoque rupture.
  • Feuillet β : chaînes polypeptidiques étirées, liaisons H entre NH₃⁺ et COO⁻, antiparallèles plus stables, distance entre AA = 3,5 Å, structure étirée.

c) Structure tertiaire

• Structure 3D fonctionnelle, surtout dans protéines globulaires.
• Stabilisation par :
  • Ponts disulfures,
  • Liaisons ioniques,
  • Liaisons hydrogène,
  • Interactions hydrophobes,
  • Liaisons datives.
• Délimite domaines fonctionnels (sites actifs, reconnaissance).
• Types de domaines :
  • Alpha pur (hélices alpha, ex : cytochromes, myoglobine).
  • Alpha-beta (tonneau bêta central, enzymes).
  • Bêta pur (feuillets antiparallèles, transporteurs hydrophobes).

d) Structure quaternaire

• Association de plusieurs sous-unités (oligomères).
• Liaisons faibles (hydrophobes, ioniques).
• Sous-unités identiques (homo) ou différentes (hétéro).
• Exemples : hémoglobine (4 sous-unités), FSH.
• Structure quaternaire = état natif sauf protéines monomériques (ex : albumine).
• Comparaison protéines fibreuses vs globulaires :

e) Dénaturation

• Ponts disulfures : réduits par β-mercaptoéthanol (réversible).
• Liaisons H : rompues par chaleur, pH extrême, force ionique, urée, guanidine.
• Liaisons ioniques : coupées par pH extrême, force ionique élevée.
• Interactions hydrophobes et structure quaternaire : détruites par détergents (ex : SDS).

e) Analyse structurale des protéines

• Purification et séparation des sous-unités (agents dissociants, β-ME).
• Clivage en fragments par protéases spécifiques :
  • Chimique : bromure de cyanogène (coupe après MET).
  • Enzymatique : trypsine (après LYS, ARG), chymotrypsine (après AA aromatiques).
• Détermination extrémités :
  • C-term : carboxypeptidases.
  • N-term : aminopeptidase, dinitrofluorobenzène, chlorure de Dansyl, phénylisothiocyanate.
• Séparation par électrophorèse :
  • Native : selon taille et charge.
  • Dénaturée (SDS-PAGE) : charge uniforme négative, séparation selon poids moléculaire.
• Isoélectrofocalisation (IEF) : séparation selon point isoélectrique (pH où charge = 0).
• Électrophorèse bidimensionnelle : IEF + SDS-PAGE → carte protéomique.
• Chromatographie : filtration sur gel, affinité, échange d'ions.

f) Exemples de protéines

a) Kératines

• Protéines fibreuses des phanères (cheveux, ongles).
• Riche en AA apolaires, insolubles.
• Riche en cystéine → ponts disulfures.
• Pathologies :
  • Épidermolyse bulleuse congénitale : défaut kératine K5/K14 → fragilité peau, autosomale récessive.
  • Épidermolyse hyperkératosique : mutation K1/K10 → lyse cellules supra-basales, épaississement peau.

b) Collagène de type I

• Principal composant de la matrice extracellulaire (os, tendons, peau).
• Structure primaire : répétition Gly-X-Y (X,Y souvent hydroxyproline, hydroxylysine).
• Structure secondaire : hélice gauche (différente de l'hélice α), stabilisée par liaisons H et hydrophobes.
• Structure quaternaire : 3 hélices gauches s'enroulent en triple hélice droite, ponts covalents entre lysines (lysyl oxydase).
• Fibrilles de collagène : 50 nm diamètre, plusieurs μm long.
• Pathologie : ostéogenèse imparfaite (mutation gènes chaînes α, fragilité osseuse).

c) Myoglobine et hémoglobine

• Fe²⁺ : hybridation sp³d², 6 liaisons de coordination (4 pyrroles, 1 His F8, 1 O₂).
• Fixation O₂ induit passage conformation tendue → relâchée (oxymyoglobine/oxyhémoglobine).
• Saturation O₂ dépend pression partielle :
  • Myoglobine : saturation élevée même à faible P(O₂).
  • Hémoglobine : courbe sigmoïde, affinité augmente brusquement au-delà de 30 mmHg.
• Gaz modificateurs :
  • CO₂ : se fixe sur N-term (carbamylhémoglobine), diminue affinité O₂.
  • CO : affinité 250x supérieure à O₂, gaz asphyxiant.

La liaison peptidique est une liaison amide rigide en configuration trans, stabilisée par mésomérie, essentielle à la structure des peptides et protéines.

1. Cyclisation des oses et anomérie

• Cyclisation : formation d'un pont oxydique intramoléculaire entre la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) et un alcool.
  • Aldoses → hémiacétalisation
  • Cétoses → hémicétalisation (hémikétalisation)
• Formes cycliques :
  • Pyranose : cycle à 6 atomes (ex : pont oxydique entre C1 et C5 ou C2 et C6)
  • Furanose : cycle à 5 atomes (ex : pont oxydique entre C2 et C5, plus stable pour cétohexoses)
• Anomères : α et β diffèrent par la position du OH sur le carbone anomérique (C1)
  • α : OH du C1 du même côté que le OH de la série (côté pont oxydique)
  • β : OH du C1 du côté opposé au OH de la série
• Séries D et L :
  • Série D : pont oxydique à droite, CH₂OH à gauche dans la forme linéaire
  • Série L : pont oxydique à gauche, CH₂OH à droite
• Mutarotation : en solution, passage entre anomères α et β via la forme linéaire; équilibre atteint avec prédominance de β-D-glucopyranose (~2/3).

2. Représentation de Haworth

• Cyclique plane, numérotation des carbones dans le sens des aiguilles d'une montre.
• Substituants à droite dans la forme de Tollens → en bas dans Haworth, à gauche → en haut.
• CH₂OH toujours du côté opposé au pont oxydique.
• Pour la série D : α en bas, β en haut.
• Pour la série L : α en haut, β en bas.
• Technique : basculer la structure de Tollens de 90° vers la droite pour placer les substituants.

3. Réactions des oses

4. Dérivés des oses

5. Osides : holosides (glucides complexes uniquement d'oses)

• Liaisons glycosidiques : entre fonctions réductrices des oses (OH anomérique)

  • α ou β selon orientation spatiale (repérable sur Haworth)

• Diholosides :

  Nom	Composition	Liaison	Réducteur	Enzyme hydrolysante
  Saccharose	α-D-glucopyranose + β-D-fructofuranose	α 1→2	Non	α-D-glucosidase, saccharase
  Lactose	β-D-galactopyranose + glucose	β 1→4	Oui	Lactase (β-D-galactosidase)
  Maltose	α-D-glucopyranose + glucose	α 1→4	Oui	Maltase (α-D-glucosidase)

• Mémo : sucre réducteur → suffixe -ose ; non réducteur → suffixe -oside

6. Homopolysaccharides

7. Hétérosides : association ose + aglycone

• Protéoglycanes : grande partie glucidique, chaînes linéaires de glycosaminoglycanes (GAG) liées à une protéine.
• Glycosaminoglycanes (GAG) : chaînes répétitives disaccharidiques avec ose aminé et acide uronique, riches en charges négatives, rôle structural et hydratation.
• Agrécanes : agrégats de protéoglycanes dans le cartilage, liés non covalents à l'acide hyaluronique.
• Glycoprotéines : plus de protéine que de glucides, chaînes osidiques ramifiées (~15 oses), liaisons covalentes N- ou O-glycosidiques.
  • Exemples : sialoglycoprotéines (terminaison en NANA), sélectines (adhésion cellulaire immunitaire).
• Rôles biomédicaux : métastases, maladies lysosomales, anomalies enzymatiques.

8. Glycation et glycosylation des protéines

• Mécanisme glycation : condensation carbonyle ose + groupement aminé protéine → base de Schiff → produit d'Amadori (précoce).
• Importance biomédicale : dosage des protéines glyquées pour suivi diabète, AGE impliqués dans inflammation et stress oxydatif.

9. Rôles des glycanes dans les glycoprotéines

• Influence la durée de vie et élimination (ex : céruloplasmine éliminée si NANA retiré).
• Rôle dans l'infection virale (ex : virus de la grippe reconnaît acides sialiques).
• Antigènes ABO : glycanes à la surface des globules rouges.

À retenir :

• Les oses cyclisent en formes α ou β (anomères) selon la position du OH anomérique.
• La mutarotation correspond à l'équilibre entre anomères via la forme linéaire.
• Les liaisons glycosidiques α ou β déterminent la digestibilité par des enzymes spécifiques.
• Les homopolysaccharides (amidon, glycogène, cellulose) ont des structures et fonctions distinctes.
• Les glycoprotéines et protéoglycanes jouent des rôles essentiels en structure cellulaire et signalisation.
• La glycation non enzymatique des protéines est un marqueur important en pathologie diabétique.

1. Acides gras essentiels et séries métaboliques

• Acides gras essentiels : l'organisme ne peut synthétiser ni les ω3 ni les ω6, mais peut synthétiser les ω9.
• Ratio recommandé : consommation idéale = 5 fois plus d'ω6 que d'ω3, mais en France on consomme environ 15 fois plus d'ω6, ce qui peut être néfaste.
• Séries métaboliques :
  • C18:1;9 → ω9
  • C18:2;9,12 → ω6
  • C18:3;9,12,15 → ω3

2. Eicosanoïdes : dérivés biologiques majeurs des acides gras polyinsaturés

• Dérivent d'acides gras à 20 carbones : acide arachidonique (C20:4, ω6) et acide eicosapentanoïque (C20:5, ω3).
• Plus de 30 composés aux fonctions multiples.
• Classification selon la présence de cycles :

  Présence de cycles	Enzyme	Exemples	Effet pharmacologique
  Oui	Cyclooxygenase (COX)	Prostanoïdes (prostaglandines, thromboxanes)	Inhibés par AINS et acide acétylsalicylique → réduction inflammation
  Non	Lipoxygenase	Leucotriènes, lipoxines (double liaison conjuguée)	Impliqués dans inflammation

3. Propriétés physiques des lipides

• Point de fusion (Tm) : augmente avec la longueur de la chaîne carbonée, diminue avec le degré d'insaturation.
• Fluidité membranaire : lipides insaturés augmentent la fluidité en abaissant la Tm.
• Solubilité :
  • AG à chaîne courte : hydrosolubles.
  • AG à chaîne moyenne/longue : solubles dans solvants organiques.
  • AG insaturés en cis plus solubles que saturés dans solvants apolaires.
• Organisation en milieu aqueux :
  • Film lipidique : monocouche, têtes polaires en contact avec l'eau.
  • Micelle : sphère avec têtes polaires vers l'extérieur.
  • Liposome : bicouche sphérique contenant de l'eau.

4. Propriétés chimiques des acides gras

• Chaîne aliphatique peu réactive ; réactivité liée au groupement carboxylique et aux insaturations.
• Saponification : $\mathrm{R-COOH + NaOH \rightarrow R-COONa + H_2O}$ → formation de savons (tensioactifs solubles dans l'eau).
• Réactions des AG insaturés :
  • Addition d'hydrogène (hydrogénation) → formation d'insaturations en trans (ex : margarines).
  • Addition d'halogènes (indice d'iode) : nombre de grammes d'iode fixé pour 100 g de lipides, proportionnel au nombre d'insaturations.
  • Oxydation :
    • Forte (non physiologique) : permanganate, ozone.
    • Lente (physiologique) : rancissement par peroxydation → libération d'aldéhydes et acides.

5. Glycérolipides

a) Glycérol

• Trialcool à 3 carbones (2 alcools primaires, 1 secondaire).
• Soluble dans l'eau, base des lipides mais n'est pas un lipide.

b) Glycérides (acylglycérols) : lipides simples

• Esters d'acides gras et glycérol.

• Types :

  Type	Nombre d'AG	Exemple structure	Rôle principal
  Monoglycérides	1	CH₂-O-CO-R¹ CH-OH CH₂-OH	Intermédiaire métabolique
  Diglycérides	2	CH₂-O-CO-R CH-O-CO-R' CH₂-OH	Intermédiaire métabolique
  Triglycérides	3	CH₂-O-CO-R¹ CH-O-CO-R' CH₂-O-CO-R''	Stockage énergétique (>90% des lipides adipocytaires)

• TG hétérogènes (AG différents) sont majoritaires.

• Digestion : lipases pancréatiques hydrolysent TG en DG puis MG, libérant AG libres.

• Stockage dans adipocytes ; taille des adipocytes varie, nombre fixe.

c) Glycérophospholipides : lipides complexes

• Glycérol est phosphorylé en position 3, estérifié par 2 AG (position 1 saturé, position 2 insaturé).

• Groupement X fixé sur phosphate :

  Type	Groupement X	Propriétés principales
  Glycérophosphatides simples	H, myoinositol	Amphiphiles, insolubles dans acétone
  Glycérophosphatides azotés	Choline, éthanolamine, sérine	Amphotères et amphiphiles, insolubles dans acétone

• Exemples :

  • Phosphatidylcholine (lécithines) : abondant dans membranes, réserve de choline.
  • Phosphatidyléthanolamine et phosphatidylsérine : tissu nerveux, propriétés détergentes (lysolécithines).

• Dégradation enzymatique par phospholipases spécifiques :

  Enzyme	Coupure produite
  PLA1	2-acylglycérol + 1 AG
  PLA2	1 AG + dérivé lyso (ex : lysolécithines)
  PLC	Diglycéride + chaînon phosphate
  PLD	Acide phosphatidique + X

• Rôle dans inflammation : PLA2 libère acide arachidonique → précurseur des eicosanoïdes. Corticoïdes inhibent PLA2, réduisant prostaglandines, thromboxanes, leucotriènes et lipoxines.

6. Sphingolipides

• Amides de la sphingosine (aminodiol à 18C, insaturation en C4) et d'acides gras.
• Liaison amide (non estérifiable), résistante aux phospholipases.
• Présents surtout dans tissus nerveux, impliqués dans sphingolipidoses.
• Classification :

• Glycosphingolipides subdivisés en :
  • Cérébrosides (neutres ou sulfatés)
  • Cérébromonosides (ex : galactosylcéramide, glucosylcéramide)
  • Cérébropolysides
  • Gangliosides (glucosylcéramide + acides sialiques, charge négative)

7. Lipides isopréniques

• Constitués par polymérisation d'unités isoprènes (C5, diène méthylé).
• Exemples majeurs :

a) Caroténoïdes

• Polymères d'isoprènes (40C), doubles liaisons conjuguées, liposolubles.
• Types : lycopène (rouge), carotène (orange, ex : β-carotène), xanthophylle (jaune, oxygénés).
• β-carotène = provitamine A (donne 2 molécules de vitamine A).

b) Vitamine A (rétinol)

• 20C, un cycle β-ionone, liaisons trans.
• Liposoluble, sensible à l'oxydation et lumière.
• Présente sous forme d'esters dans lait, beurre, jaune d'œuf, huile de foie de poisson.
• Carence → xérophtalmie, troubles cutanés, croissance.

8. Stérols et stéroïdes

a) Structure générale

• Noyau stérane : 17C, 4 cycles (3 cyclohexanes + 1 cyclopentane).
• Noyau stéroïde : 19C (noyau stérane + 2C supplémentaires).
• Stérols = noyau stéroïde + groupements hydroxyles (-OH).

b) Stéréoisomérie

• Forme chaise stable.
• Cycles A/B cis ou trans, B/C et C/D trans.
• Orientation OH : trait plein = β (haut), pointillé = α (bas).

c) Cholestérol

• 27C (19C noyau + 8C chaîne latérale).
• Double liaison en 5-6, OH en 3β.
• 75% sous forme d'esters d'AG dans plasma.
• Rôle : régulation fluidité membranaire, précurseur stéroïdes, impliqué en pathologies cardiovasculaires.

d) Dérivés du cholestérol

• Vitamine D synthétisée à partir de 7-déhydrocholestérol sous UV, activation hépatique et rénale.

9. Hormones stéroïdes principales

À retenir : Les lipides essentiels (ω3, ω6) sont précurseurs des eicosanoïdes, molécules clés dans l'inflammation. Les glycérolipides et sphingolipides structurent les membranes cellulaires. Les lipides isopréniques (caroténoïdes, stérols) jouent des rôles vitaux en tant que vitamines, hormones et composants membranaires.

1. Définitions clés

• Substrat : molécule transformée par l'enzyme.
• Produit : molécule formée après transformation.
• Cofacteur : ion métallique ou molécule aidant la réaction enzymatique.
• Coenzyme : molécule biologique catalysant la réaction (ex : NAD+, FAD, Coenzyme A).

2. Structure des enzymes

• Protéines catalysant toutes les réactions métaboliques.
• Deux types :
  • Holoprotéiques : uniquement protéiques.
  • Hétéroprotéiques : protéiques + partie non protéique.
• Site actif :
  • Site de fixation (reconnaît le substrat).
  • Site catalytique (réalise la transformation).

3. Mécanisme d'action

• Réaction possible sans enzyme, mais plus lente et énergivore.
• Réaction globale :
  $E + S \leftrightarrow ES \leftrightarrow E + P$
• Propriétés :
  • Enzymes non modifiées après réaction.
  • Agissent en faible quantité.
  • Ne modifient pas l'équation chimique.
  • Abaissement de l'énergie d'activation.
  • Spécificité élevée (modèles clé-serrure ou ajustement induit).
  • Fonctionnent à température et pH optimaux.

4. Cinétique enzymatique

• UI : quantité d'enzyme transformant 1 µmole de substrat/min.
• Katal : quantité d'enzyme transformant 1 mole de substrat/s.
• Vitesse initiale :
  $v_i = -\frac{d[S]}{dt} = \frac{d[P]}{dt}$
• Effet de la concentration :
  • À substrat constant, vitesse proportionnelle à l'enzyme.
  • À enzyme constante, vitesse augmente puis atteint un plateau ($v_{max}$).
• Constante de Michaelis-Menten ($K_M$) : concentration substrat pour $v_i = \frac{v_{max}}{2}$.
  • Plus $K_M$ est faible, plus l'affinité enzyme-substrat est grande.
• Équation de Michaelis-Menten :
  $v_i = v_{max} \times \frac{[S]}{K_M + [S]}$
• Représentation de Lineweaver-Burk (méthode des inverses) :
  $\frac{1}{v} = \frac{K_M}{v_{max}} \times \frac{1}{[S]} + \frac{1}{v_{max}}$
• Inhibiteurs modifient la pente et les intersections selon leur type.

5. Effecteurs enzymatiques

• Inhibiteurs : bloquent la réaction (réversibles ou irréversibles).
• Activateurs : favorisent la fixation du substrat, augmentent $v_{max}$.
• Effecteurs allostériques : modulent l'enzyme sur un site distinct du site actif, peuvent être activateurs ou inhibiteurs.

L'enzyme allostérique passe d'un état T (tendu, inactif, faible affinité) à un état R (relâché, actif, forte affinité) sous l'effet du substrat ou d'effecteurs.

6. Enzymes, régulation et métabolisme cellulaire

• Classification par numéro EC : EC X1.X2.X3.X4
  • X1 = classe (1 à 6)
  • X2 = sous-classe (type de groupement)
  • X3 = accepteur ou donneur
  • X4 = numéro d'ordre

• Exemple : Lactate déshydrogénase

  • Nom systématique : (S)-lactate:NAD⁺ oxydoréductase
  • EC 1.1.1.27 (oxydoréductase agissant sur alcool avec NAD⁺)

• Isoenzymes : enzymes catalysant la même réaction mais avec des propriétés physicochimiques différentes.

À retenir :
Les enzymes accélèrent les réactions en abaissant l'énergie d'activation, sont spécifiques, non consommées, et leur activité est régulée par des effecteurs et des inhibiteurs. La cinétique enzymatique suit la loi de Michaelis-Menten, avec des paramètres clés $K_M$ et $v_{max}$.

1. Cycle de Krebs : réactions clés

• Substrats initiaux : Acétyl-CoA + oxaloacétate
• Provenance de l'acétyl-CoA :
  • β-oxydation des acides gras
  • Décarboxylation oxydative du pyruvate (complexe pyruvate déshydrogénase, matrice mitochondriale)
• Complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) :
  • Enzymes : E1 (pyruvate déshydrogénase), E2 (dihydrolipoyl transacétylase), E3 (dihydrolipoyl déshydrogénase)
  • Cofacteurs : TPP, lipoamide, FAD, NAD⁺, CoA-SH
  • Réaction irréversible, activée par déphosphorylation, inhibée par phosphorylation
  • Bilan : $$\text{Pyruvate} + \text{CoA-SH} + \text{NAD}^+ \to \text{Acétyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH,H}^+$$
• Transport du pyruvate :
  • Membrane externe : pores de porine (perméabilité non sélective)
  • Membrane interne : cotransporteur PU/H⁺ (perméabilité sélective)
• Provenance de l'oxaloacétate :
  • Carboxylation du pyruvate par la pyruvate carboxylase (réaction anaplérotique, ATP dépendante)
  • Bilan : $$\text{Pyruvate} + \text{CO}_2 + \text{ATP} \to \text{Oxaloacétate} + \text{ADP} + \text{Pi}$$

2. Étapes principales du cycle de Krebs

Bilan global du cycle :

$$\text{Acétyl-CoA} + 3 \text{NAD}^+ + \text{FAD} + \text{GDP} + \text{Pi} + 2 \text{H}_2\text{O} \to 2 \text{CO}_2 + 3 \text{NADH,H}^+ + \text{FADH}_2 + \text{GTP} + \text{CoA-SH} + 3 \text{H}^+$$

3. Bilan énergétique du cycle de Krebs

• 1 GTP → 1 ATP
• 3 NADH → 3 × 2,5 = 7,5 ATP
• 1 FADH₂ → 1,5 ATP
• Total : 10 ATP par molécule d'acétyl-CoA

À retenir : Une molécule d'acétyl-CoA génère 10 ATP via le cycle de Krebs.

4. Rôles métaboliques du cycle

• Production d'énergie (ATP)
• Source d'intermédiaires pour la biosynthèse (glucose, lipides, acides aminés)
• Entrées multiples via catabolisme des acides gras et acides aminés
• Sorties vers néoglucogenèse, synthèse lipidique et protéique
• Peu d'anomalies génétiques connues (cycle vital)
• Inhibé en cas d'absence d'oxygène

5. Régulation du cycle de Krebs

• Facteurs clés : disponibilité en substrats (acétyl-CoA, oxaloacétate), rapports NADH/NAD⁺ et ATP/ADP
• Règle importante :
  • Si NADH/NAD⁺ et ATP/ADP élevés → inhibition du cycle
  • Si NAD⁺/NADH et ADP/ATP élevés → activation du cycle
• Régulation du complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) :
  • Inactivation par phosphorylation (kinase)
  • Activation par déphosphorylation (phosphatase)
  • Déficit en phosphatase → accumulation de pyruvate et lactate → acidose lactique
• Enzymes allostériques régulatrices du cycle :

6. Phosphorylation oxydative

• Localisation : membrane interne mitochondriale (absente dans les globules rouges)
• Fonction : oxydation des équivalents réduits (NADH, FADH₂) produits par le cycle de Krebs et glycolyse
• Transfert d'électrons via complexes I à IV, accepteur final : oxygène (réaction irréversible)
• Création d'un gradient de protons (force protomotrice) par pompage via complexes I, III, IV
• Utilisation du gradient pour synthèse d'ATP par ATP synthase (complexe V)

7. Composants clés de la chaîne respiratoire

8. Complexes de la chaîne respiratoire

9. Ubiquinone / Ubiquinol

• Ubiquinone (oxydée) transporte 2 électrons
• Réduction en ubiquinol via semi-quinone intermédiaire
• Complexe III convertit transport 2 électrons → 1 électron (cytochrome c) sans perte d'énergie

10. ATP synthase (complexe V)

• Structure :
  • F₀ (membrane) : anneau c (10-14 sous-unités), canal à protons
  • F₁ (matrice) : hexamère α₃β₃, catalyse ATP (β)
• Mécanisme :
  1. Passage des protons dans F₀ fait tourner anneau c et tige γε
  2. Rotation active sites catalytiques β en 3 conformations (ouverte, resserrée, fermée)
  3. 1 tour complet produit 3 ATP
• Protons nécessaires : environ 4 protons/ATP synthétisé

11. Rendement énergétique des coenzymes

12. Oxydation des acides gras saturés (β-oxydation)

• Acides gras activés en acyl-CoA (consommation de 2 ATP équivalents) par acyl-CoA synthétase (cytosol)

• Transport dans mitochondrie via navette carnitine :

  • CAT1 (membrane externe) : acyl-CoA → acyl-carnitine
  • Translocase (membrane interne) : échange acyl-carnitine / carnitine
  • CAT2 (matrice) : acyl-carnitine → acyl-CoA

• Hélice de Lynen (mitochondrie) : 4 réactions cycliques oxydatives
  | Étape | Réactif | Enzyme | Coenzyme | Produit | Remarque | |-------|---------|--------|----------|---------|----------| | 1 | Acyl-CoA | Acyl-CoA déshydrogénase | FAD⁺ | trans-enoyl-CoA | Libère 1 FADH₂ | | 2 | trans-enoyl-CoA | Hydratase | - | 3-hydroxyacyl-CoA | Consomme 1 H₂O | | 3 | 3-hydroxyacyl-CoA | Hydroxyacyl-CoA déshydrogénase | NAD⁺ | 3-β-cétoacyl-CoA | Libère 1 NADH,H⁺ | | 4 | 3-β-cétoacyl-CoA | Thiolase | - | Acétyl-CoA + acyl-CoA (-2C) | Consomme 1 CoA-SH |

• Dernier cycle libère 2 acétyl-CoA

13. Bilan énergétique β-oxydation (acide gras saturé à n carbones)

• Nombre de cycles : $\frac{n}{2} - 1$
• Produits :
  • $\frac{n}{2}$ acétyl-CoA (10 ATP chacun)
  • $\left(\frac{n}{2} - 1\right)$ NADH (2,5 ATP chacun)
  • $\left(\frac{n}{2} - 1\right)$ FADH₂ (1,5 ATP chacun)
• Activation consomme 2 ATP (si acide gras non activé)

Formules :

Exemple palmitate (C16:0) :

• Activation : -2 ATP
• 8 acétyl-CoA → 80 ATP
• 7 NADH → 17,5 ATP
• 7 FADH₂ → 10,5 ATP
• Total : 106 ATP

14. Régulation du métabolisme des acides gras

• Niveau énergétique :
  • Jeûne → dégradation des AG (production d'énergie)
  • Post-prandial → synthèse des AG et stockage sous forme de triglycérides
• Rétrocontrôle par malonyl-CoA : inhibe CAT1 → bloque entrée des AG dans mitochondrie → inhibition β-oxydation
• Contrôle enzymatique : concentration en substrats et coenzymes

15. Pathologies liées au cycle de Krebs

À retenir : Le cycle de Krebs est central dans la production d'énergie et la biosynthèse, régulé finement par l'état énergétique cellulaire et les modifications covalentes des enzymes clés.