Métabolisme énergétique physiologique et adaptation J. Duranteau Université Paris-Sud XI...

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