Glucides (2) - Glycolyse et Néoglucogenèse - S. Lemaire 2024 PDF

Mineure Santé Module Sciences Vie Stéphanie LEMAIRE Glycolyse et néoglucogenèse Les formules présentées dans ce document ne sont pas à connaître par cœur, elles servent à l’illustration et à la compréhension du cours. La glycolyse est la voie p...

Mineure Santé Module Sciences Vie Stéphanie LEMAIRE Glycolyse et néoglucogenèse Les formules présentées dans ce document ne sont pas à connaître par cœur, elles servent à l’illustration et à la compréhension du cours. La glycolyse est la voie principale d’utilisation du glucose. C’est une voie métabolique cytosolique, présente dans toutes les cellules permettant la production d’énergie sous forme d’ATP. Le glucose est d’origine alimentaire, il est produit lors de la digestion de polysaccharides (amidon principalement) et de disaccharides (saccharose, lactose). Il est aussi d’origine métabolique et provient de la glycogénolyse hépatique et musculaire (voir cours sur le glycogène) et de la néoglucogenèse hépatique, synthèse de glucose de novo à partir de précurseurs non glucidiques. En période de jeûne, le stock hépatique de glycogène n’étant pas inépuisable, la néoglucogenèse participe au maintien de la glycémie pour assurer l’apport constant de glucose aux cellules qui en ont besoin. I. Digestion et absorption des glucides Etant donné que seuls les monosaccharides sont capables d’entrer dans les cellules, les polysaccharides provenant de l’alimentation doivent être hydrolysés lors du processus de digestion. Les monosaccharides ainsi libérés seront absorbés au niveau des entérocytes pour ensuite rejoindre la circulation sanguine. Ces entrées et sorties des monosaccharides des entérocytes se font grâce à des transporteurs. Il existe deux familles de transporteurs du glucose : - les Sodium Glucose Transporters (SGLT) qui assurent un transport actif du glucose dans les entérocytes avec entrée simultanée de sodium, -et les Glucose Transporters (GLUT) qui assurent un transport facilité selon un gradient de concentration. C’est le transporteur SGLT-1, à forte affinité pour le glucose et exprimé au niveau de la membrane luminale de l’entérocyte, qui assure l’entrée du glucose dans l’entérocyte et le transporteur GLUT-2, à faible affinité pour le glucose, qui assure sa sortie de l’entérocyte dans la circulation sanguine. Ce même tandem de transporteurs assure l’absorption du galactose. Au niveau de l’ensemble de l’organisme, il existe 5 membres principaux de la famille GLUT dont la distribution tissulaire, la spécificité vis à vis des différents monosaccharides et la dépendance à l’insuline sont variables. 1  Principale Affinité pour Dépendance à Transporteur localisation Ose transporté le glucose l’insuline cellulaire Globules rouges, glucose, GLUT-1 Forte Non Ubiquitaire galactose glucose, Foie, pancréas, GLUT-2 Faible galactose, Non rein, intestin fructose glucose, GLUT-3 Cerveau Forte Non galactose Muscles striés, GLUT-4 Forte glucose Oui tissu adipeux GLUT-5 Intestin Très faible fructose Non II. Glycolyse La glycolyse permet l’oxydation du glucose pour produire de l’énergie sous forme d’ATP. Elle conduit à la conversion d’une molécule de glucose (composé à 6 carbones) en 2 molécules de pyruvate (composé à 3 carbones) avec production de 2 molécules d’ATP. 1. Les étapes de la glycolyse (voir schéma) La glycolyse comporte 10 étapes dont 3 sont irréversibles et seront donc le siège de la régulation de cette voie métabolique. La glycolyse peut être divisée en 3 séquences. -une phase d’investissement énergétique : dès son entrée dans la cellule, le glucose est phosphorylé en glucose-6-phosphate aux dépens d’une molécule d’ATP. Cette réaction est catalysée dans le foie et le pancréas par la glucokinase (spécifique du glucose, faible affinité pour le glucose et pleinement active en période post-prandiale) et par l’hexokinase dans les autres tissus (non spécifique du glucose, forte affinité pour le glucose et toujours active quelle que soit la glycémie). Cette phosphorylation permet de maintenir le glucose dans la cellule ainsi que l’entrée d’autres molécules de glucose dans la cellule par diffusion facilitée (via les transporteurs GLUT) selon un gradient de concentration ainsi conservé. Cette réaction de phosphorylation est irréversible et c’est une étape importante de régulation de la glycolyse. Le glucose-6-phosphate est ensuite isomérisé en fructose-6-phosphate qui sera phosphorylé en fructose-1,6-biphosphate. C’est la 2ème étape irréversible de la glycolyse, catalysée par la phosphofructokinase-1 qui consomme de l’ATP. Cette première phase de la glycolyse est une phase qui nécessite un investissement énergétique de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose. -Passage d’une molécule à 6 carbones à 2 molécules à 3 carbones : le fructose-1,6- biphosphate est ensuite scindé par une aldolase en glycéraldéhyde-3-phosphate et en dihydroxyacétone-3-phosphate, deux trioses phosphate interconvertibles. C’est le 2 glycéraldéhyde-3-phosphate qui sera le substrat de la réaction suivante : deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate seront donc oxydées par molécule de glucose. -Phase de « retour sur investissement » permettant la production de 4 molécules d’ATP par molécule de glucose. Le glycéraldéhyde-3-phosphate est oxydé et phosphorylé en 1,3-biphosphoglycérate avec production de 2 molécules de NADHH+. Le 1,3-biphosphoglycérate transfère ensuite son groupement phosphate à l’ADP pour former de l’ATP et du 3-phosphoglycérate. Donc à partir d’une molécule de glucose, deux molécules d’ATP sont produites à ce niveau. Le 3-phosphoglycérate sera ensuite transformé (par le biais de plusieurs réactions) en pyruvate. La dernière étape, catalysée par la pyruvate kinase permet la production de 2 autres molécules d’ATP. C’est une réaction irréversible et une étape majeure de régulation de la glycolyse. Le bilan métabolique de la glycolyse est le suivant : Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Pyruvate + 2 NADHH+ + 2 ATP + 2 H2O La glycolyse permet donc la synthèse de 2 molécules pyruvate, de 2 NADHH+ et de 2 molécules d’ATP par molécule de glucose. 3 4  2. Devenir du NADHH+ et du pyruvate a. NADHH+ Le NAD+ utilisé par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase doit être régénéré pour que la glycolyse puisse fonctionner normalement. Il faut donc que le NADHH+ soit réoxydé en NAD+. Deux situations physiologiques : -en anaérobie (absence d’oxygène) : chez l’Homme, dans les globules rouges (absence de mitochondries) et les muscles en période d’activité physique intense, le pyruvate est réduit en lactate grâce à la lactate déshydrogénase. En réduisant le pyruvate, elle permet la réoxydation du NADHH+ en NAD+ qui pourra être ré-utilisé pour la glycolyse. -en aérobie (présence d’oxygène) : le NADHH+ cytosolique va entrer dans la mitochondrie où il sera oxydé en NAD+. Le NAD+ mitochondrial ainsi formé sera transporté dans le cytosol et ré-utilisé par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase. b. Pyruvate -en anaérobie : le pyruvate sera oxydé en lactate par la lactate déshydrogénase. Le lactate ainsi formé pourra servir de substrat à la néoglucogenèse (voir chapitre suivant). -en aérobie : le pyruvate pénètre dans la mitochondrie grâce à un transporteur spécifique pour y subir une réaction de décarboxylation oxydative (réaction irréversible) en acétylCoA catalysée par la pyruvate déshydrogénase. 5  1 ATP L’acétylCoA produit sera ensuite oxydé dans le cycle de Krebs avec production de NADHH+, FADH2 et GTP. Les NADHH+ et FADH2 seront ensuite oxydés par la chaîne respiratoire avec production de 3 et 2 molécules d’ATP par molécule de NADHH+ et de FADH2 respectivement. Le bilan énergétique de l’oxydation complète d’une molécule de glucose en aérobie est de 2 ATP (glycolyse) + 36 ATP (oxydation mitochondriale du pyruvate) = 38 molécules d’ATP alors que celui de la glycolyse anaérobie n’est que de 2 ATP (glycolyse). III. Néoglucogenèse La néoglucogenèse est la synthèse de novo de glucose à partir de composés non glucidiques. Elle a lieu à 90% dans le foie et 10% dans le rein. C’est une voie métabolique cytosolique à l’exception de la première réaction. Les précurseurs non glucidiques sont : -les acides aminés glucoformateurs en particulier l’alanine via sa transformation en pyruvate -le lactate, provenant du métabolisme anaérobie du pyruvate dans les globules rouges et les muscles en activité, sera retransformé en pyruvate par la lactate déshydrogénase. -le glycérol provenant de l’hydrolyse des triglycérides via la dihydroxyacétone-3- phosphate. 1. Les étapes de la néoglucogenèse La néoglucogenèse emprunte, en sens inverse, les réactions de la glycolyse à l’exception des 3 réactions irréversibles catalysées par la glucokinase (1), la phosphofructokinase-1 (3) et la pyruvate kinase (10) qu’elle doit contourner par des réactions spécifiques irréversibles. Néoglucogenèse et glycolyse ne doivent pas fonctionner en même temps. Ceci est possible grâce aux 3 réactions irréversibles présentes sur chacune des 2 voies, lesquelles sont régulées de façon indépendante et coordonnée selon les situations nutritionnelles et métaboliques. La réaction 10 de la glycolyse catalysée par la pyruvate kinase est contournée dans la néoglucogenèse par l’action de la pyruvate carboxylase mitochondriale et de la phospho- énol-pyruvate carboxykinase. Deux molécules de pyruvate seront nécessaires à la synthèse d’une molécule de glucose. 6 La pyruvate carboxylase mitochondriale, qui utilise la biotine comme coenzyme, catalyse la carboxylation du pyruvate en oxaloacétate avec consommation d’une molécule d’ATP. L’oxaloacétate ainsi formé sort de la mitochondrie et est pris en charge dans le cytosol par la phospho-énol-pyruvate carboxykinase pour le transformer en phospho-énol-pyruvate avec consommation d’une molécule de GTP. Le phospho-énol-pyruvate remonte ensuite les réactions réversibles de la glycolyse jusqu'au fructose-1,6 biphosphate. Ce dernier sera transformé en fructose-6-phosphate par la fructose-1,6-biphosphatase qui contourne donc la 3ème étape de la glycolyse. Le fructose-6- phosphate est ensuite isomérisé en glucose-6-phosphate. La glucokinase catalysant une réaction irréversible, le glucose sera libéré grâce à l’action de la glucose-6-phosphatase (contournement de la réaction 1 de la glycolyse) qui n‘est présente que dans les tissus où s’effectue la néoglucogenèse, le foie et le rein. Le glucose ainsi synthétisé dans le foie pourra passer dans la circulation sanguine et être capté par les autres tissus en cas de besoin. Concernant la synthèse de glucose à partir de glycérol libéré après hydrolyse des triglycérides, ce dernier est métabolisé en dihydroxyacétone-3-phosphate. Une molécule de dihydroxyacétone-3-phosphate se condensera ensuite à une molécule de glycéraldéhyde-3- phosphate pour former une molécule de fructose-1,6-biphosphate qui permettra la synthèse d’une molécule de glucose. 7  2. Bilan énergétique de la néoglucogenèse La synthèse du glucose coûte de l’énergie sous forme d’ATP. Trois réactions nécessitent de l’ATP : -La réaction catalysée par la pyruvate carboxylase consomme 1 molécule d’ATP. -La phospho-énol-pyruvate carboxykinase consomme 1 molécule de GTP (équivalent d’une molécule d’ATP) -Enfin, la phosphoglycérate kinase consomme 1 molécule d’ATP. Si le précurseur utilisé est le pyruvate, il faut 2 molécules de pyruvate pour synthétiser une molécule de glucose donc 2 x 3 ATP = 6 ATP. Si le précurseur est le glycérol, le bilan énergétique ne sera que de 2 molécules d’ATP. IV. Régulation de la glycolyse et de la néoglucogenèse Glycolyse et néoglucogenèse sont 2 voies opposées, fonctionnant de manière alternative selon la situation nutritionnelle. Cela exige une régulation permettant simultanément d’activer la glycolyse et d’inhiber la néoglucogenèse en période post-prandiale et l’inverse en période de jeûne. Trois étapes clés vont être le siège de la régulation de ces 2 voies métaboliques : -les réactions catalysées par la glucokinase et la glucose-6-phosphatase -les réactions catalysées par la phosphofructokinase-1 et la fructose-1,6- biphosphatase -les réactions catalysées par la pyruvate kinase et les pyruvate carboxylase et phospho- énol-pyruvate carboxykinase. 1. Régulation allostérique Le but de la glycolyse étant la production d’énergie, le niveau énergétique sera la clé de sa régulation. - Lorsque le niveau énergétique cellulaire est bas, l’augmentation de la concentration intracellulaire d’AMP et d’ADP entraîne une activation de la phosphofructokinase-1 (PFK-1) et donc une augmentation de la concentration du Fructose-1,6-biphosphate qui va venir à son tour, activer la pyruvate kinase et donc la glycolyse. - A l’inverse, lorsque le niveau énergétique est élevé, l’augmentation de la concentration intracellulaire d’ATP inhibe la phosphofructokinase-1 et la pyruvate kinase ce qui conduit à une accumulation de glucose-6-phosphate dans la cellule. Le glucose-6- phosphate inhibe l’hexokinase et par conséquent inhibe l’entrée de glucose dans la cellule (si le glucose n’est plus phosphorylé, le gradient de concentration s’inverse et l’entrée de glucose via les transporteurs GLUT ne se fait plus). Par contre, le glucose-6-phosphate n’inhibe pas la glucokinase, ceci est cohérent avec le rôle du foie qui est d’absorber le glucose en excès pour le stocker sous forme de glycogène (voir cours sur le glycogène). 8  Concernant la néoglucogenèse, deux réactions vont être le site majeur de sa régulation, celles catalysées par la pyruvate carboxylase et la fructose-1,6-biphosphatase. La pyruvate carboxylase ne fonctionne qu’en présence de son activateur allostérique, l’acétylCoA provenant du catabolisme des acides gras. Ainsi, les cellules hépatiques ne s’engagent dans la néoglucogenèse que s’il y a suffisamment d’énergie sous forme d’acétylCoA provenant du catabolisme des acides gras. Dans le foie, il existe une régulation particulière, dépendante des hormones. Ainsi, dans le foie, en période de jeûne, le glucagon qui est une hormone hyperglycémiante, va stimuler la néoglucogenèse. A l’inverse, en période post-prandiale, la sécrétion d’insuline (hormone hypoglycémiante) va contrecarrer l’action du glucagon en stimulant la glycolyse. 2. Régulation transcriptionnelle En parallèle de cette régulation à court terme, existe également une régulation à plus long terme impliquant des mécanismes de régulation de la transcription des enzymes clés de la glycolyse et de la néoglucogenèse. 9