Métabolisme des glucides - La Glycolyse (FC N°15a) PDF

Métabolisme des glucides - la glycolyse Professeur : THOLANCE FC N°15a Date : 17/10/24  SOMMAIRE I. INTRODUCTION....................................................................................

Métabolisme des glucides - la glycolyse Professeur : THOLANCE FC N°15a Date : 17/10/24  SOMMAIRE I. INTRODUCTION....................................................................................................................................................................... 1 1. LES TRANSPORTEURS GLUT....................................................................................................................................................... 2 II. REACTIONS DE LA VOIE METABOLIQUE (3 PHASES)................................................................................................................ 3 1. PHASE 1 : INVESTISSEMENT / ACTIVATION...................................................................................................................................... 4 2. PHASE 2 : CLIVAGE DU F1,6BP – INTERCONVERSION........................................................................................................................ 5 3. PHASES 1-2 : SYNTHESE............................................................................................................................................................ 6 4. PHASE 3 : RETOUR SUR INVESTISSEMENT....................................................................................................................................... 7 5. BILAN................................................................................................................................................................................... 8 III. DEVENIR DU PYRUVATE ET DU NADH,H................................................................................................................................. 9 1. DEVENIR DU PYRUVATE............................................................................................................................................................. 9 2. PASSAGE DU PYRUVATE DANS LA MITOCHONDRIE........................................................................................................................... 10 IV. GLYCOLYSE.......................................................................................................................................................................... 11 1. DEVENIR DU PYRUVATE ET DU NADH, H+ : CONDITION ANAEROBIE ET AEROBIE.................................................................................... 11 2. BILAN ENERGETIQUE A PARTIR D’UN GLUCOSE............................................................................................................................... 12 En cas de questions sur ce cours, vous pouvez écrire à l’adresse suivante : [email protected] Les règles de courtoisies sont à respecter lors de l’envoi d’un mail. L’équipe des tuteurs se réserve le droit de répondre ou non à un mail. En cas de questions récurrentes, les tuteurs pourront faire un point lors des colles hebdomadaires. I. Introduction GÉNÉRALITÉS Glycolyse dérive du grec « glik » (sucre) et « lyssis » (dissolution) = on l’appelle aussi la voie d’Embden- Meyerhof. Il s’agit de la dégradation d’une molécule de glucose. Elle est partagée par tous les êtres vivants (même unicellulaires) et est possible dans toutes les cellules, sans oxygène. Toutes les enzymes de cette voie sont cytosoliques = voie cytosolique. 10 réactions catalysées par des enzymes qui dégradent un glucose (6 carbones) en deux pyruvates (3 carbones), en produisant des molécules riches en énergie (NADH et ATP). Le NADH intègrera ensuite la chaîne respiratoire. o La glycolyse permet donc la synthèse d’ATP et des molécules qui transportent des électrons. La glycolyse est la première partie de la dégradation du glucose (suivi par le cycle de l’acide citrique, ou cycle de Krebs, et la chaîne de transport des électrons en condition aérobie). Synthèse de NADH,H+ et d’ATP mais son rendement énergétique dépendra Source d’énergie des conditions d’oxygénation cellulaire (aérobie ou anaérobie). Comme le glycérol-3-phosphate (forme activée du glycérol nécessaire à la Source de précurseur synthèse de triglycérides) ou d’autres intermédiaires étant des précurseurs de métabolique de la synthèse d’AA ou de glucides particuliers (Voies des pentoses phosphates molécules d’intérêt nécessaire à la synthèse d’acide nucléique). biologique La synthèse de ces intermédiaires est impossible sans l’apport de glucose. LIEU DE LA GLYCOLYSE Tissus gluco-dépendants : n’utilisent que le glucose (ou des GR/cerveau corps cétoniques en cas de manque de glucose). ex: le cerveau Nécessité de maintenir une glycémie stable. Dans le cytoplasme Utilisent indifféremment le glucose (en période post-prandiale et de toutes les Muscle/myocarde surtout lors d’un exercice à intensité élevée), et d’autres cellules substrats (AG). Utilisent peu le glucose (seulement en période post-prandiale), Foie/tissu adipeux ils utilise des AG. 1  1. Les transporteurs GLUT 5 transporteurs GLUT sont détaillée mais il en existe plus de 20. Ils se distingue par leur affinité au glucose, par leur spécificité vis-à-vis de l’ose transporté et par leur localisation. LOCALISATION NOM KM OSES COMMENTAIRES TISSULAIRE Non insulinodépendants. 1 mM GLUT 1 et Presque toutes les Ils assurent l’entrée basale à (Km < glycémie) Glc 3 cellules vitesse constante « en toute Affinité élevée circonstance ». Non insulinodépendants. Le glucose entre dans ces cellules uniquement si la glycémie est 15-20 mM Glc élevé (senseurs de glucose) Foie et pancréas GLUT 2 (Km > glycémie) (cellules β) Gala Sécrétion d’insuline par les cellules Affinité faible Fruc β seulement en cas d’hyperglycémie et entrée dans le foie seulement en cas d’abondance. Insulino-dépendant (augmentation de leurs nombres 5 mM sur la membre plasmique liée à la Muscles, cœur, tissu GLUT 4 Affinité Glc présence d’insuline). adipeux intermédiaire Ils augmentent leur nombre à l’exercice. GLUT 5 Intestin Fruc 2 II. Réactions de la voie métabolique (3 phases) LES PHASES DE LA GLYCOLYSE Phase 1 : glucose → Fructose 1,6 biphosphate (phosphorylation, isomérisation, phosphorylation). o Le but est de trapper le glucose dans la cellule et de former un composé pouvant se cliver en unités phosphorylés de 3 carbones (ce qui permet leur activation). o C’est une phase d’investissement énergétique (consommation de 2 ATP par molécule de glucose) Phase 2 : clivage du fructose 1,6 biP en 2 fragments de 3 carbones interconvertibles Phase 3 : oxydation des 2 fragments en pyruvate avec extraction d’énergie sous forme d’ATP (potentiel phosphorylé) et sous forme de NADH,H+ (potentiel redox) : 4 ATP par molécule de glucose. Cette phase 3 s’effectue 2 fois. 3  1. Phase 1 : investissement / activation RÉACTIONS DE LA PHASE 1 La réaction est irréversible et limitante : étape de régulation. La réaction appartient aussi à la glycogénogenèse et à la voie des pentoses Réaction 1 : Phosphorylation sur le C6 du glucose phosphates (le G6P est un carrefour avec consommation d’une molécule d’ATP métabolique). Impact de cette réaction : le G6P ne peut pas diffuser à travers la membrane. o L’ajout d’un groupement phosphorylé déstabilise le glucose facilitant ainsi son métabolisme ultérieur. Enzymes : hexokinases dont l’isoforme hépatique et pancréatique dénommée glucokinase. Réaction 2 : isomérisation du G6P en Fructose-6-P (F6P) Enzyme : phosphoglucose isomérase La réaction est réversible Enzyme : phosphofructokinase-1 (PFK1), enzyme allostérique. Deuxième étape utilisant de l’ATP. Réaction 3 : phosphorylation sur le Carbone 1 du F6P en fructose-1,6-biphosphate (F1,6BP) L’étape est irréversible, étape d’engagement dans la glycolyse (c’est un point de régulation) Elle est limitante : étape majeure de la régulation de la glycolyse. « bisphosphate » : deux P sont séparés. « diphosphate » : deux groupes P unies par une liaison anhydride (comme dans l’ADP). 4 ENZYMES DE LA HEXOKINASE GLUCOKINASE REACTION 1 Localisation Ubiquitaire (en particulier musculaire) Hépatique et pancréatique Substrats Glucose, fructose, mannose Glucose seulement Faible (Km élevé = 5 mM) donc Forte (Km faible = 0,1 mM) donc pleinement active seulement en post- toujours active même quand la prandiale quand la glycémie est Affinité glycémie est basse (maintient un fort élevée (maintient un état d’équilibre gradient de glucose). du glucose entre extra et intracellulaire). Régulation Allostérique Non allostérique Le Mg2+ est essentiel pour l’activité : les cations font écrans aux charges négatives sur les oxygènes des groupes phosphates. o Cela rend le phosphate en position γ plus susceptible à l’attaque nucléophile du groupe C6-OH du glucose. 2. Phase 2 : clivage du F1,6BP – interconversion RÉACTIONS DE LA PHASE 2 Réaction 4 : clivage du F1,6BP (à 6 carbones) en 2 C3 : Glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) : aldose Dihydroxyacétone phosphate (DHAP) : cétose La réaction est réversible, catalysée par l’aldolase (réaction inverse = condensation aldolique entre un aldéhyde et une cétone) Réaction 5 : isomérisation du DHAP en GAP : Réaction rapide (limitée par la diffusion) et réversible, mais le GAP est le seul substrat de la suite de la glycolyse, la réaction est donc largement déplacée vers la droite Catalysée par la triose phosphate isomérase 5 3. Phases 1-2 : synthèse 1 molécule de glucose est transformée en 2 molécules de GAP. Aucune énergie n’a été extraite, au contraire : 2 molécules d’ATP ont été investies. Bilan Par la suite : phase de retour sur investissement avec la récolte d’une partie de l’énergie contenue dans le GAP. 6  4. Phase 3 : retour sur investissement RÉACTIONS DE LA PHASE 3 Réaction complexe, réversible, couplant oxydation et phosphorylation du GAP, catalysée par la GAP déshydrogénase (GA3PDH) à coenzyme NAD+. Première étape dans laquelle de l’énergie est extraite du substrat et stockée dans un cofacteur, le NADH,H+ (soit 2 molécules par molécule de glucose), et formation d’un composé à haut potentiel de transfert de phosphate ⇒ Réaction 6 : conversion du GAP en 1,3- intérêt double. bisphosphoglycérate (1,3-BPG) Limite de la glycolyse : régénération du NAD+. Il y a couplage de deux réactions : Le couplage de cette réaction est à l’équilibre Réaction 7 : phosphorylation de l’ADP au niveau du substrat (1,3BPG transformé en 3-phosphoglycérate Production d’une molécule d’ATP (soit 2 molécules par (3PG)) glucose). Réaction réversible. Catalysée par la phosphoglycérate kinase. Réaction 8 : isomérisation du 3PG en 2- Réversible, catalysée par la phosphoglycérate mutase phosphoglycérate (2PG) 7  REACTIONS DE LA PHASE 3 (SUITE) Réaction 9 : déshydratation du 2PG en phosphoénolpyruvate (PEP) Catalysée par l’énolase. Réaction 10 : phosphorylation de l’ADP au niveau du substrat (PEP transformé Produit une molécule d’ATP (soit 2 par glucose) : profit en pyruvate) énergétique. Réaction irréversible et limitante (étape majeure de la régulation) Enzyme : pyruvate kinase 5. Bilan ∆G'glycolyse ≈ -90 kJ/mol. La voie est donc spontanée. L’énergie est récupérée sous forme de 2 ATP et de 2 NADH,H+. Le reste est sous forme de chaleur. 3 réactions de la glycolyse sont irréversibles : la 1ère avec l’hexokinase, la 3ème avec PFK1, et la 10ème avec la pyruvate kinase. Équation globale : Glucose + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 pyruvates + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O. Production de 2 ATP par phosphorylation au niveau du substrat (le 1,3-BPG et le PEP), de 2 NADH,H+ et de 2 pyruvates. La réaction est limitée par la balance redox NADH,H+/NAD+ dans le cytoplasme. Le NAD+ sera nécessaire pour la suite de la glycolyse. 8 III. Devenir du pyruvate et du NADH,H 1. Devenir du pyruvate La régénération est dépendante de la présence ou de l’absence d’oxygène dans la cellule. Réactions mitochondriales Dégradation du pyruvate en Acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase. Puis entrée En aérobie dans le cycle de Krebs. Oxydation des carbones du cycles de Krebs couplé à la réduction de co-enzyme transporteurs d’électrons : NAD+ et le FADH2 Transformation du pyruvate et régénération du NAD + par la fermentation lactique (oxydation du NADH,H+ en NAD+). Réduction cytosolique du pyruvate en lactate (dernière réaction de la glycolyse anaérobique) En anaérobie Enzyme : lactate déshydrogénase (nécessite du Zinc pour fonctionner). Réaction réversible (mais déplacée + vers le lactate) qui dépend du ratio NAD +/NADH Elle a lieu dans les tissus où la consommation en ATP surpasse sa production par la respiration (dans les GR ou les muscles essentiellement, surtout pendant l’exercice physique). Intérêt : régénère le NAD+ pour permettre l’entretien de la glycolyse. Si pas de régénération = pas de glycolyse. L’élévation du lactate dans les cellules musculaires peut créer une acidose cellulaire. Cycle de Cori : les cellules musculaires vont libérer le lactate dans le sang, qui va être récupéré par le foie pour former du glucose via la néoglucogénèse : couplage inter- tissulaire entre glycolyse et néoglucogénèse. 9  2. Passage du pyruvate dans la mitochondrie RÉACTION DANS LA MITOCHONDRIE Uniquement en présence d’O2 (chaîne respiratoire fonctionnelle) Passage de la membrane externe: transport passif du pyruvate à travers les porines Caractéristiques Passage de la membrane interne : transport actif via une protéine transporteuse d’anions organiques ayant plus d’affinité pour le pyruvate que la LDH (symport H+/K+) pour arriver dans la matrice Décarboxylation oxydative en Acétyl-Coa par la pyruvate déshydrogénase = réaction intermédiaire entre la glycolyse et le cycle de Krebs. Réaction pré requise pour le cycle de Krebs Pyruvate + CoA + NAD+⇒ AcétylCoA + NADH,H+ + CO2 Catalysée par le complexe multienzymatique pyruvate déshydrogénase (PDH) formé de 3 enzymes et fonctionnant avec 5 coenzymes : o E1 = pyruvate déshydrogénées à groupement prosthétique pyrophosphate de thiamine (TPP) o E2 = dihydrolipoyl transacétylase à groupement prosthétique acide lipoïque et à coenzymeA o E3 = dihydrolipoyl déshydrogénase à coenzymes FAD et NAD + 5 coenzymes : TPP, acide lipoïque, coenzyme A, FAD, NAD + 2 voies mitochondriales Ce schéma n’est pas à retenir (il faut surtout savoir que la pyruvate deshydrogénase est un complexe multienzymatique avec 3 enzymes et 5 coenzymes). Carboxylation du pyruvate pour obtenir de l’oxaloacétate par la pyruvate carboxylase (réaction impliquée dans la néoglucogénèse, réaction anaplérotique du cycle de Krebs) : +++ dans le foie en cas de jeune. 10 IV. Glycolyse 1. Devenir du pyruvate et du NADH, H+ : condition anaérobie et aérobie TRANSFORMATION/DEVENIR DU NADH,H+ Oxydation du NADH,H+ en NAD+ dans la chaine respiratoire mitochondriale. o Couplage avec la production d’ATP. Passage passif de la membrane externe. o Via les porcines. Membrane interne imperméable au NADH,H+ o Utilisation de 2 navettes pour passer la matrice ▪ Navette du glycérol 3 phosphate : Muscle et cerveau Production d’ATP : o NADH,H+ cytosolique < NADH,H+ mitochondrial Aérobiose ▪ Navette malate aspartate ▪ Foie ▪ Rein ▪ Cœur 11  2. Bilan énergétique à partir d’un glucose SYNTHÈSE Produit : o 2 pyruvates Glycolyse o 2 NADH,H+ o 2ATP. 12  SYNTHÈSE (SUITE) Les 2 NADH,H+ produisent : o 2 NADH,H+ ou 2 FADH2 Les 2 pyruvates donnent : o 2 acétyl-CoA ▪ Produisent uniquement 2 NADH,H+ 1 acétyl-CoA dans le cycle de Krebs : o 3 NADH, H+ + 1 ATP et 1 FADH2 ▪ Doublé car 2 acétyl-CoA 10 NADH,H+ et 2 FADH2 ou 8 NADH,H+ et 4 FADH2 à destination de la chaine de transport d’électrons. 1 NADH,H+ est capable de synthétiser 2,5 ATP. 1 FADH2 donne 1,5 ATP. Au maximum 28 molécules d’ATP produites par la glycolyse anaérobie. Le glucose est capable de libérer -2870 kJ/mol. o Si on oxydait tous ses carbones pour 1 molécule d’ATP le rendement énergétique Bilan serait de -30,5 kJ/mol. Pour produire la même quantité d’énergie en aérobiose il faut près de : 15 fois moins de glucose qu’en anaérobiose. Mais vitesse de production d’énergie moins rapide. 13