COURS 5 Métabolisme glucidique-La Glycolyse 2022-23.pdf

Nucleic Bases acids P COURS 5 Pentose s Métabolisme glucidique La Glycolyse 1 Le métabolisme glucidique Les sucres représentent ~ 50% de l’énergie apportée par l’aliment...

Nucleic Bases acids P COURS 5 Pentose s Métabolisme glucidique La Glycolyse 1 Le métabolisme glucidique Les sucres représentent ~ 50% de l’énergie apportée par l’alimentation Cours 15 Régulation Métabolique ! Ruminants: apport par voie digestive très limitée! Coordonnée Trois monosaccharides majeurs atteignent la circulation sanguine après avoir traversé l’épithélium intestinal par voie de transport facilité (GLUTs) et de cotransport (Na+) (SGLTs). 2  Le métabolisme glucidique Les sucres représentent ~ 50% de l’énergie apportée par l’alimentation Les monosaccharides sont absorbés et atteignent la circulation sanguine Le Glucose est le sucre prédominant dans le sang. Cours 6 Fructose-Galactose DEVENIR de ces composés dans l’organisme? 3  Le Glucose Position centrale dans le métabolisme des êtres vivants (animaux, plantes, microorganismes) Molécule riche en énergie « potentielle » servant de substrat universel Pour certaines cellules/tissus, le glucose est ~ la seule source d’énergie métabolique Néoglucogenèse (exemple: globules rouges, médulla rénale, cerveau)  Oxydation par les voies métaboliques suivantes: GLYCOLYSE Enantiomère D PENTOSES PHOSPHATES  Servant de précurseur pour d’autres voie métaboliques (sucres-non sucres) 6 Molécule capable d’être synthétisée « de novo » à partir d’autres molécules 5  NEOGLUCOGENESE 4 1 Anomère α Molécule capable d’être stockée sous la forme de polymères  glycogène Hans Krebs  Stockage: (1900-1981) GLYCOGENOGENESE 3 2  Mobilisation: GLYCOGENOLYSE 4  1. La Glycolyse 1.1. Un peu d’histoire… « Glyco » sucre ; « lyse » rupture 1ere voie métabolique élucidée (1930-40s) Etudes de la fermentation alcoolique chez la levure (Louis Otto Warburg Pasteur-Edouard Buchner) 1931: Prix Nobel de Physiologie et Médecine Etudes de Otto Meyerhof et Gustav Embden dans le muscle Etudes de Otto Warburg et Hans von Euler-Chelpin chez la levure * purification/cristallisation de 7/10 enzymes de cette voie * glycolyse et cancer Otto Meyerhof 1922: Prix Nobel de Physiologie et Médecine 5  1. La Glycolyse 1.2. Vue d’ensemble  Lieu de la voie: le cytosol  Se déroule en 2 phases consécutives PHASE I dite « PREPARATRICE » 5 réactions avec investissement de 2 molécules d’ATP PHASE II dite « GENERATRICE d’ATP » 5 réactions portant à la synthèse de 4 molécules d’ATP 2 NADH réduits  Tous les intermédiaires sont des D-isomeres  9/10 intermédiaires sont sous forme phosphorylée  Conservation de l’énergie chimique potentielle  Les groupes phosphate forment des complexes avec le Mg2+  de nombreuses enzymes de la voie reconnaissent le complexe P-Mg2+ comme substrat  ces enzymes requièrent du Mg2+ pour leur activité 6 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 1: Phosphorylation du glucose en glucose 6-P par l’hexokinase Réaction irréversible Réaction couplée-Cours 2  La phosphorylation du glucose « trappe » celui-ci dans la cellule (pas de transporteur pour le Glucose-P)  Hexokinase: phosphoryle aussi d’autres hexoses (fructose, mannose)  Il existe différentes isoformes (isoenzymes) tissus-spécifiques ayant des propriétés cinétiques/régulation différentes L’isoforme hépatique = Glucokinase (Km élevé=> trapper un max. de glucose dans la cellule) 7 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 2: Conversion du glucose 6-P en fructose 6-P par la phosphoglucose isomerase (phosphohexose isomerase) Isomérisation nécessaire pour les réactions R3 (phosphorylation sur le C1) et R4 (clivage entre C3 et C4) Réaction détaillée pour information (diapo suivante) 8 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 2: Conversion du glucose 6-P en fructose 6-P par la phosphoglucose isomerase Le C1 ayant une fonction aldehyde devient alcool Le C2 ayant une fonction alcool devient cetone Le site actif contient une B:  Glutamate qui capte le proton de manière transitoire 9 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 3: Phosphorylation du fructose 6-P en fructose 1,6-bisP par la phosphofructokinase-1  Réaction irréversible  Réaction couplée  1ere étape spécifique de la glycolyse (car G6P et F6P peuvent avoir d’autres devenirs)  étape de la glycolyse régulée  Il existe des isoenzymes tissus-spécifiques 10 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 4: Clivage du fructose 1,6-bisP en Dihydroxyacetone P (DHAP) et Glyceraldehyde 3-P par la (fructose 1,6-bisP) aldolase  Réaction réversible  Mécanisme complexe impliquant la formation d’un intermédiaire « base de Schiff » suivie de la libération séquentielle du Glyceraldehyde 3-P puis du DHAP  Il existe des isoenzymes tissus-spécifiques 11 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 5: Interconversion des trioses-P par la triose-P isomerase  Réaction réversible  Seul le Glyceraldehyde 3-P peut être ultérieurement métabolisé => isomérisation du DHAP  Mécanisme similaire à celui de la réaction 2 (G6P > F6P) cetone/aldehyde  alcool 12 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 6: Oxydation du glyceraldehyde 3-P en 1,3 bis-phosphoglycerate par la glyceraldehyde 3-P dehydrogenase  Réaction réversible  Le Transfert des e- de l’oxydation (=>NADH) est couplé à la formation d’une liaison acyl-phosphate (haut potentiel énergétique)  Le phosphate provient d’un Pi (et non pas d’un ATP) 13 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 7: Transfert de phosphoryl du 1,3 bis-Phosphoglycerate sur l’ADP par la phosphoglycerate kinase  Réaction irréversible  Phosphorylation au niveau du substrat 14 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 8: Conversion du 3-Phosphoglycerate en 2-Phosphoglycerate par la phosphoglycerate mutase  Réaction réversible  Réaction se déroulant en 2 étapes (diapo suivante-mécanisme détaillé) 15 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 8: Conversion du 3-Phosphoglycerate en 2-Phosphoglycerate par la phosphoglycerate mutase 1. Le groupement Phosphate lié à une His de l’enzyme est transféré sur le C2 du 3-phosphoglycerate 2. Le groupement Phosphate présent en C3 est transféré à l’enzyme => 2-phosphoglycerate libéré 16 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 9: Dehydratation du 2-Phosphoglycerate en phosphoenolpyruvate par l’enolase  Réaction réversible  Le PEP produit est une molécule à haut potentiel énergétique 17 1. La Glycolyse 1.3. Les réactions de la Glycolyse Réaction 10: Transfert de phosphoryl du phosphoenolpyruvate sur l’ADP par la pyruvate kinase  Réaction irréversible  Phosphorylation au niveau du substrat  Site important de la régulation de la voie  Il existe différentes isoenzymes aux propriétés différentes 18 1. La Glycolyse 1.4. Equation bilan de la Glycolyse  Au final, ∆G’0 2 pyruvate 2 ATP 2 x NADH x 2.5 (Navette Malate/Asp >cxI) 5 ATP ou bien ou bien 2 x NADH x 1.5 (Navette Glycerol 3-P >CoQ) 3 ATP  Pyruvate > Acetyl CoA (PDC/PDH) 2 x NADH x 2.5 5 ATP  Cycle de Krebs 2 x (3 NADH x 2.5) 15 ATP 2 x [1 FAD(2H) x 1.5] 3 ATP 2 x GTP 2 ATP BILAN TOTAL 30/32 ATP 21  Glycolyse aérobie par OXPHOS: Bilan énergétique Transfert des équivalents réduits vers la mitochondrie 2 x NADH x 2.5 (cxI) 5 ATP ou bien 2 x NADH x 1.5 (coQ) 3 ATP 2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.3. Glycolyse anaérobie (1)  Globules rouges (pas de mitochondries!)  Tissus faiblement oxygénés (peu de capillaires)  hypoxie relative  Muscle squelettique lors d’un effet intense (sprint) nécessitant un apport d’énergie immédiat  Pyruvate: accepteur final des e- du NADH  Réaction irréversible dans les conditions cellulaires… oui mais cela dépend…..  Devenir du lactate: - Source énergétique pour certains tissus - Recyclage dans le cycle de CORI (Cours 7) 23 2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.3. Glycolyse anaérobie (2) Lactate Dehydrogenase (LDH) Il existe deux isoformes différentes (334 aa) M (muscle) H (heart=cœur) Tétramère (5 isoformes possibles) Isoforme LDH M4 dans le muscle: facilite la conversion du pyruvate en lactate Isoforme LDH H4 dans le coeur: facilite la conversion du lactate en pyruvate (capacité oxydative élevée, utilisation pour énergie) 24 2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.3. Glycolyse anaérobie (3)  Glycolyse 1 Glucose > 2 pyruvate 2 ATP 2 pyruvate > 2 lactate 0 ATP BILAN TOTAL 2 ATP 25 2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.3. Glycolyse anaérobie (3) Produits de la fermentation et usages courants 26  2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.4. Effet Pasteur Observation initiale de Louis Pasteur En présence de O2, la fermentation chez la levure est inhibée Sur des extraits de cerveau de rat, on ajoute un nombre croissant de mitochondries hépatiques  Diminution de la production de lactate  Le pyruvate est oxydé ultérieurement via cycle de Krebs/Chaîne resp. 27  2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.5. Effet Warburg (1) Observation de Otto Warburg:  Les cellules tumorales présentent un métabolisme glycolytique augmenté par rapport aux autres cellules  Les cellules tumorales utilisent préférentiellement la voie Pyruvate > Lactate même en présence d’O2 « la glycolyse aérobie » 28 2. Devenir des pyruvate/NADH produits 2.5. Effet Warburg (2) Explication possible: Dans les tumeurs, il y a une relative «hypoxie » (capillaires distants > 100-200 µm)  Induction du facteur de transcription HIF-1 (Hypoxia- inducible factor 1)  Stimulation de la synthèse: - de transporteurs du glucose (GLUTs) - d’enzymes glycolytiques (8/10), - LDHM (favorisant Pyruvate >Lactate) , et - de PDKs (PDH kinases) qui inactivent la PDH => retardent l’entrée du pyruvate dans le cycle de Krebs 29 3. Autres fonctions de la Glycolyse Le Glucose et les intermédiaires de la glycolyse peuvent servir de précurseurs pour la synthèse d’autres molécules. Sucres Non-Sucres (AA , AG) 30 4. Régulation de la Glycolyse 4.1. Vue d’ensemble  Fonction principale de la glycolyse  synthèse d’ATP => La glycolyse est régulée pour maintenir l’homéostasie (niveaux d’ATP)  Les 3 réactions exergoniques sont cibles de cette régulation Hexokinase PFK-1 (Phosphofructokinase 1) Pyruvate kinase (foie!) 31 4. Régulation de la Glycolyse 4.2. Régulation de L’hexokinase Il existe 4 isoenzymes aux propriétés différentes. Hexokinase I/II (muscle): - saturée en glucose aux concentrations physiologiques - sensible à une inhibition allostérique par son produit, le Glucose 6-P Hexokinase IV = glucokinase (foie): - non saturée en glucose aux concentrations physiologiques - non sensible à une inhibition allostérique par son produit, le Glucose 6-P  Reste fonctionnelle même lorsque les niveaux énergétiques sont élevés  Synthèse possible de glycogène, acides gras 32 4. Régulation de la Glycolyse 4.3. Régulation de La PFK-1 Cette enzyme détermine l’engagement définitif dans la Glycolyse Il existe 3 isoenzymes pouvant former des (hétéro)tétramères M, L et C Il existe 6 sites de liaison - Sites de liaison aux substrats: MgATP Fructose 6-P - Sites de régulation allostérique: Inhibition: Mg,ATP, citrate/anions Activation: AMP, Fructose 2,6 bisP Cours 7 Néoglucogenèse Les isoenzymes M et L sont plus sensibles à la régulation par AMP/ATP que la forme C 33  4. Régulation de la Glycolyse 4.4. Régulation de la Pyruvate kinase (PK) Il existe 3 isoenzymes tissue-spécifiques (sauf isoenzymes M-1 cerveau, cœur, muscle) Dans tous les tissus: Inhibition allostérique par ATP (abondance énergétique) Stimulation par le F1,6 bisP (en amont) Dans le foie (site de la néoglucogenèse): Régulation supplémentaire hormonale (par le glucagon) ⇒ Activation de la PKA ⇒ Phosphorylation inactivant la PK  En condition de jeûne (glucose sanguin diminue), ceci permet de limiter la consommation dans le foie 34 La Glycolyse 35  EXERCICES COURS 5 Question 1 La glycolyse est source énergétique pour les cellules. A partir du glyceraldehyde 3-phosphate, en synthétisant une molécule de pyruvate, quel sera le bilan attendu en ATP et NADH? A. 1 ATP et 1 NADH B. 1 ATP et 2 NADH C. 1 ATP et 4 NADH D. 2 ATP et 1 NADH E. 2 ATP et 2 NADH F. 2 ATP et 4 NADH G. 3 ATP et 1 NADH H. 3 ATP et 2 NADH I. 3 ATP et 4 NADH 36  EXERCICES COURS 5 Question 2 Chaque cellule humaine peut utiliser la glycolyse pour la production d’énergie. Laquelle de ces affirmations décrit un aspect de la glycolyse? A. L’ATP est formé par phosphorylation oxydative B. 2 molécules d’ATP sont utilisées au début de la voie C. La pyruvate kinase est l’enzyme limitante de la voie D. Une molécule de pyruvate et 3 molécules de C02 sont formées par oxydation d’une molécule de glucose E. La réaction a lieu dans la matrice mitochondriale 37  EXERCICES COURS 5 Question 3 Le glucose peut avoir différentes routes métaboliques en arrivant dans le cytoplasme. Laquelle de ces réactions engage le glucose définitivement dans la voie de la glycolyse? A. Glucose > Glucose 1-P B. Glucose > Glucose 6-P C. Fructose 6-P > Fructose 1,6-bisP D. Fructose 1,6-bisP > Dihydroxyacetone P + Glyceraldehyde 3-P E. Glucose 1-P > Glucose 6-P. 38  EXERCICES COURS 5 Question 4 Les érythrocytes ont besoin d’ATP pour maintenir les gradients ioniques à travers la membrane. En l’absence de ces gradients, les cellules vont subir une lyse, ce qui peut porter à une anémie hémolytique. Par quelle voie les érythrocytes produisent-ils de l’énergie? A. Phosphorylation au niveau du substrat B. Cycle de Krebs C. Phosphorylation oxydative D. Transfert d’électrons à l’oxygène E. Oxydation du glucose en CO2 et H20. 39