Glycolyse - 1er Année Médecine (UHBC) 2023-2024 PDF

Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC)2023-2024 Dr. BEKARA A PEOPLE’S DEMOCRATIC REPUBLIC OF ALGERIA MINISTRY OF HIGHER EDUCATION AND SCIENTIFIC RESEARCH HASSIBA BEN BOUALI UNIVERSITY OF CH...

Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC)2023-2024 Dr. BEKARA A PEOPLE’S DEMOCRATIC REPUBLIC OF ALGERIA MINISTRY OF HIGHER EDUCATION AND SCIENTIFIC RESEARCH HASSIBA BEN BOUALI UNIVERSITY OF CHLEF Annex of faculty of medicine 1 er année médecine Chapitre 1 : Les Glucides Digestion des glucides et Glycolyse Introduction Les glucides représentent entre 50 à 55 % de la ration énergétique quotidienne dont 1g donne 4 Kcal. Seul les monosaccharides peuvent être absorbés par l'entérocyte ce qui implique une digestion complète des disaccharides, des oligo–saccharides et des polysaccharides. 1. Définition de la digestion : C’est la dégradation des grosses molécules en unités de bases facilement assimilables dont elle comporte :  Une action mécanique.  Une action chimique : enzymes et HCl 2. Définition de l’absorption : C’est le passage des produits de la digestion de la lumière de tube digestif vers le sang ou la lymphe. 3. Digestion et absorption des glucides : On distingue :  Les glucides digestibles (amidon, glycogène et les disaccharides)  Les glucides non digestibles (pectine, hémicellulose et cellulose) 3.1.Digestion pré intestinale et intestinale : L’amidon et le glycogène sont dégradés par l’amylase salivaire et pancréatique en maltose et maltriose. Le maltose est constitué donc de deux molécules de glucose, ainsi il possède un pouvoir sucrant plus élevé que le glucose. Les aliments riches en maltose sont : miel, pain blanc, Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A caramel. Le maltriose est un ensemble de 03 molécules de glucose. Cette étape assure la digestion d’environ 70 % d’amidon chez l’homme Remarque : l’α-amylase clive les liaisons α-1,4, les liaison α 1-6 ne sont pas touchées Figure 01 : Dégradation d’amidon 3.2. Digestion au niveau de la bordure en brosse intestinale : Elle concerne les oligosaccharides et les disaccharides. C’est l’amylo –α-1,6-glucosidase intestinale « enzyme débranchant » qui catalyse l’hydrolyse de la liaison α-1,6 glycosidique des points de branchement. Enzyme Substrat Produit Saccharase (invertase) Saccharose Glucose +Fructose Maltase Maltose Glucose + Glucose Lactase Lactose Galactose+ Glucose 2 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A 3.3.Absorption des monosaccharides : Se fait au niveau de duodénum et jéjunum où les monosaccharides (glucose, fructose et galactose) sont transportés dans les cellules de l’épithélium intestinal, puis dans le sang. Cette absorption se fait par des transporteurs spéciaux qui se trouvent dans les membranes de tous les tissus (SGLUT 1, 2 dans l’intestin et les reins, GLUT1 BHE, hématies, GLUT2, entérocytes et GLUT 8 dans les autres tissus). Remarque : La membrane des entérocytes est lipophile donc les monosaccharides nécessitent des transporteurs pour passer dans le sang. Figure 02 : Transport des monosaccharides 4. Transporteurs On distingue deux familles de transporteurs 4.1.GLUT (Glucose transporteurs) : C’est un mécanisme de transport membranaire qui se fait par facilité dans le sens de gradient de concentration. 3 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Figure 03 : Transport facilité du glucose 4.2. SGLUT (Sodium glucose transporteurs) : C’est un mécanisme de transport membranaire actif (consomme l’énergie sous forme d’ATP) dont l’entrée de glucose est accompagnée par l’entrée simultanée de sodium (Na+). Figure 04 : Co-Transport du glucose 4.3.Transport de la lumière intestinale vers les entérocytes : SGLT1 : glucose et de galactose GLUT 5 : Fructose 4.4. Transport de l’entérocytes vers le sang GLUT 2 : glucose, galactose et fructose. Ces molécules sont hydrosolubles donc elles circulent libres dans le sang 4 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A 4.5.Transport cellulaire : les oses franchissent les cellules de différents tissus GLUT 1 : au niveau des hématies, favorisent l’entrée du glucose quand la glycémie est basse ; GLUT 2 : au niveau du foie et du pancréas, favorisent l’entrée du glucose quand la glycémie est élevée ; GLUT 3 : au niveau du cerveau, favorise également l’entrée du glucose quand la glycémie est basse ; GLUT 4 : tissu adipeux et muscles, affinité régulée par l’insuline ; 5 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A La Glycolyse 1. Définition La glycolyse ou bien voie d’Embden Meyrhof est la voie du catabolisme oxydatif anaérobie du glucose en pyruvate. Tous les enzymes de cette voie sont cytosolique. La glycolyse est une source d’énergie :  En anaérobiose : du glucose jusqu’au pyruvate (2 molécules d’ATP par une molécule de glucose)  En aérobie : du glucose jusqu’au pyruvate et au-delà (38 molécules d’ATP par molécule de glucose) Le glycose est précurseur d’autre molécules d’intérêt biologique. 2. Lieu de la glycolyse : La glycolyse se déroule dans tous les tissus mais à des degrés divers, dont on distingue :  Les globules rouges et le cerveau n’utilisent que le glucose comme source d’énergie ainsi sont dites : tissus glucodépendants ; cependant le cerveau peut utiliser aussi les corps cétoniques quand le glucose vient à manquer.  Les muscles et le myocarde (tissu cardiaque) utilisent le glucose (surtout en période post prandiale) et d’autres substances (acides gras) comme source d’énergie.  Le foie et le tissu adipeux utilisent peu le glucose (en période post prandiale) en raison de la disponibilité des acides gras. 3. Les étapes de la glycolyse : (voir figure 05) Le glucose issu de la digestion des aliments représente le substrat de la glycolyse qui comprend deux phases :  Phase d’investissement (consommation d’ATP)  Phase de remboursement (production d’ATP) 6 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Réaction 01 : Phosphorylation de glucose en glucose 6 phosphate par la glucokinase hépatique (foie) ou Hexokinase musculaire. (Avec consommation d’une molécule d’ATP)  C’est une réaction irréversible (étape de régulation de la glycolyse) Tableau 02 : Les enzymes de la réaction 1 Enzyme Lieu Substrat Glucokinase Hépatique et pancréatique Spécifique du glucose Hexokinase Ubiquiste ( ++ muscle) Non spécifique de glucose (autres substrat : Fructose et mannose)  Les kinases catalysent le transfert d’un groupe phosphoryle de l’ATP vers une autre molécule Réaction 02 : Isomérisation de glucose 6 phosphate en Fructose 6 phosphate par la phophohexose- isomérase.  C’est une réaction réversible Réaction 03 : Phosphorylation sur le C1 de fructose –phosphate en fructose 1,6-Biphosphate par la Phosphofructokinase -1, avec consommation d’ATP. 7 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A  C’est une réaction irréversible (limitante : étape majeure de la régulation de la glycolyse) Réaction 04 : Clivage de Fructose 1,6 bis phosphate en Glycéraldéhyde 3-phosphate (GAP) (aldose) et Dihydro-acétone-phosphate (DHAP) (cétose) par l’Aldolase. (Ou fructose -1,6- bisphosphate aldolase) C’est une étape réversible Réaction 05 : Isomérisation du dihydroxyacétone phosphate (DHAP) en glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) sous l’action de Triose phosphate isomérase. (TPI)  C’est une réaction réversible 8 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Réaction 06 : Oxydation couplée à la Phosphorylation de glycéraldéhyde 3 phosphate en 1,3-Bis phosphoglycérate (1,3-BPG) par la Glycéraldéhyde 3 –Phosphate déshydrogénase à coenzyme NAD+  C’est une réaction réversible  Produit une molécule de NADH, H+ Réaction 07 : Phosphorylation de l’ADP en ATP par la phosphoglycérate kinase en utilisant le 1,3BPG comme substrat.  C’est une réaction réversible  Production d’une molécule d’ATP Réaction 08 : Isomérisation de 3 phosphoglycérate en 2 phosphoglycérate par la phosphoglycérate mutase. 9 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A  C’est une réaction réversible Réaction 09 : Déshydratation de 2 phosphoglycérate en Phosphoénolpyruvate par l’énolase. Cette réaction libère une molécule d’eau.  C’est une réaction réversible Réaction 10 : Le Phosphoénolpyruvate est transformé en pyruvate sous l’action de pyruvate Kinase.  Produit une molécule d’ATP  C’est une réaction irréversible (limitante : étape majeure de la régulation de la glycolyse) 4. Bilan de la glycolyse : Deux molécules d’ATP sont consommées durant la première phase d’investissement et deux ATP sont produites pour chaque Glycéraldéhyde 3 phosphate (GAP) transformé en pyruvate. Au total une molécule de glucose donne deux molécules de GAP et donc 02 pyruvates et un gain de 02 ATP. 10 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Figure 05 : Les étapes de la glycolyse. 11 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A La glycolyse permet de donner des intermédiaires métaboliques qui peuvent donner d’autres molécules d’intérêts biologiques résumées dans le tableau ci-dessous : Tableau 02 : Devenir des intermédiaires métaboliques issus de la glycolyse Précurseur Produit formé Dihydroxyacétone phosphate (DHAP) Synthèse de glycérol-3-phsophate (Triglycérides) 3 phosphoglycérate Synthèse de la sérine Phosphoénolpyruvate Synthèse de la phénylalanine , tyrosine et tryptophane Glucose 6 –phosphate Synthèse de glycogène , de ribose , synthèse de glucuronate ( détoxification) , des mucopolysacchraides et de la vitamine C 5. Métabolisme de fructose et de galactose Les autres oses simples tel que : le galactose et le fructose peuvent aussi rejoindre la voie de la glycolyse comme suit (figure 6) : 5.1.Métabolisme de fructose : Il est issu de l’hydrolyse intestinale de saccharose, ainsi il peut entrer dans la cellule en absence d’insuline (via les GLUT 5). Son métabolisme est surtout hépatique dont il rejoint la glycolyse au niveau des trioses phosphates (DHAP et GAP). Selon l’état nutritionnel, son métabolisme se poursuit en direction de la glycolyse ou en direction de la glycogénogenèse. Le fructose est métabolisé plus rapidement que le glucose Réaction 1 : Phosphorylation en C1 du fructose en fructose 1- phosphate par la fructokinase avec consommation d’une molécule d’ATP. Remarque : dans le muscle, le fructose est phosphorylé par l’Hexokinase en fructose 6 – phosphate pour rejoindre la glycolyse. Réaction 2 : Clivage du fructose 1 phosphate en dihydroxyacétone phosphate et glycéraldéhyde sous l’action de fructose 1-Phosphate Aldolase. Réaction 3 : Phosphorylation de glycéraldéhyde en glycéraldéhyde 3 phosphate par la triose kinase avec consommation d’une molécule d’ATP 12 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A 5.2.Métabolisme de galactose Le galactose est issu de la dégradation intestinale de lactose ainsi il peut entrer dans la cellule en absence d’insuline. Son métabolisme est surtout hépatique dont il rejoint la glycolyse au niveau du glucose -6-phosphate. Réaction 1 : Phosphorylation sur le C1 du galactose en galactose 1-Phosphate par la galactokinase avec consommation d’une molécule d’ATP. Réaction 2 : Activation de galactose 1 phosphate sous forme d’UDP galactose par l’UDP galactose 1- phosphatase uridyl transférase. Le donneur du groupement uridyl c’est l’UDP glucose. Réaction 3 : Epimérisation de l’UDP galactose en UDP glucose par UDP galactose 4 épimérase. C’est une réaction réversible Réaction 4 : Isomérisation du glucose 1-phosphate en glucose 6 –phosphate par la phosphoglucomutase Remarque : Chez le nouveau-né le déficit en UDP galactose 1 –phosphate transférase cause la galactosémie congénitale : accumulation de galactose dans le sang et les tissus ce qui est responsable d’une cataracte précoce (opacification du cristallin) et d’une insuffisance hépatique. 13 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Figure 06 : Métabolisme de fructose et de galactose 6. Régulation de la glycolyse Elle permet d’adopter la vitesse de la glycolyse aux besoins de la cellule. La glycolyse est en fonction de : a) La disponibilité cellulaire du glucose b) La vitesse des réactions limitantes (1, 3 et 10) 6.1.Régulation par substrat : La glycolyse est activée en post prandiale par la disponibilité de glucose issu de la digestion des aliments. En absence d’apport alimentaire, la glycolyse est ralentie. 6.2.Régulation enzymatique 6.2.1. L’Hexokinase : Elle est soumise à un contrôle allostérique dont l’action de cette enzyme est inhibée par l’accumulation de glucose 6-phosphate. Le taux de ce dernier augmente lorsque la phosphofructokinase -1 est inhibée. 14 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A 6.2.2. La Glucokinase : Elle n’est pas soumise à un contrôle allostérique, ainsi l’accumulation de glucose -6-phosphate ne ralentit pas le flux de la glycolyse. Cependant, la Glucokinase est contrôlée comme suit :  À distance des repas, la Glucokinase est piégée par une protéine nucléaire « Glucokinase Regulatory protein »  En post prandiale, l’augmentation de taux de glucose active cette enzyme 6.2.3. Phosphofructokinase -1 (PFK-1) Elle est inhibée par des fortes concentrations d’ATP qui abaisse l’affinité de l’enzyme pour le fructose -6- phosphate, et par le citrate formé dans le cycle d’acide citrique. La PFK-1 est activée par le fructose 2,6 bisphosphate qui n’est pas un intermédiaire de la glycolyse mais plutôt un activateur allostérique de la PFK1 6.2.4. Pyruvate kinase : La pyruvate kinase est inhibée par l’acétyl CoA et L’ATP (indicateur de satisfaction des besoins énergétiques par catabolisme des acides gras) et par l’alanine (chemin de la néoglucogenèse). Elle activée par le fructose 1,6 bis phosphate La pyruvate kinase coexiste sous deux formes  Non phosphorylé (Active) : favorisée par l’insuline ce qui accélère la glycolyse  Phosphorylée (inactive) : favorisée par le glucagon ce qui freine la glycolyse 15 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A 6.3.Régulation hormonale 6.3.1. Le glucagon : Freine la glycolyse, elle réserve le glucose aux tissus glucodépendants 6.3.2. L’insuline : Accélère la glycolyse en période post prandiale pour produire l’énergie nécessaire à la synthèse des acides gras. 7. Devenir de Pyruvate Le pyruvate issu de la glycolyse n’est pas considéré comme produit finale car lui-même il peut être transformé dans certaines conditions pour donner d’autres molécules biologiques. 16 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Figure 07 : Devenir de pyruvate. 7.1.En aérobiose : Le pyruvate pénètre dans la mitochondrie pour être complétement dégradé en CO 2 et H2O via le cycle de Krebs. La première étape consiste à une décarboxylation oxydative du pyruvate en acétylCoA par la pyruvate déshydrogénase (PDH) 7.2.En anaérobiose 7.2.1. Fermentation lactique : En condition d’anaérobie, il se manifeste rapidement un déficit en NAD+ dans le cytoplasme car la chaine respiratoire ne peut plus ré oxyder le NADH, H+. Cela a pour conséquence un arrêt de la glycolyse et la mort de la cellule. Pour que la glycolyse ne s’épuise pas, le NADH, H+ peut être régénéré en NAD+ grâce à la lactate déshydrogénase (LDH) dans le cytoplasme avec formation de lactate. 17 Module de Biochimie 1 er année Médecine (UHBC) 2023-2024 Dr. BEKARA A Les principaux producteurs de lactate sont :  Les érythrocytes (globules rouges) : qui ne possèdent pas de mitochondries : la glycolyse anaérobie est leur seule possibilité de produire de l’énergie (2 ATP).  Les cellules musculaires : en cas d’une forte activité musculaire il s’établit rapidement un déficit en oxygène dans les muscles, car il n’y en a plus assez dans le sang pour répondre aux besoins des muscles. La chaine respiratoire et le cycle du citrate ne fonctionnent plus de façon maximale, ce qui pousse la cellule musculaire à convertir le pyruvate en lactate pour avoir suffisamment de NAD+. 7.2.2. Fermentation alcoolique Elle concerne les microorganismes dont le pyruvate est transformé en éthanol par la pyruvate décarboxylase (chez les levures) 8. Exemples de pathologies de la glycolyse Déficit en pyruvate kinase : c’est une maladie génétique qui provoque des anémies hémolytiques. Déficit en phosphofructokinase musculaire : provoque une faible capacité à l’effort particulièrement en cas de régime riche en glucides et qui est amélioré par un régime riche en acides gras. Déficit en pyruvate déshydrogénase : l’accumulation du pyruvate entraine une acidose lactique souvent létale, par l’augmentation de la concentration du lactate sanguin : accidents circulatoires IDM. 18