Glycolyse - 1ère Année de Médecine - PDF

FACULTÉ DE MÉDECINE D’ORAN 1ère Année de Médecine MODULE DE BIOCHIMIE Biochimie Structurale et Métabolique CHAPITRE 1: Les Glucides Digestion et absorption des glucides & Glycolyse Dr M. Nachi...

FACULTÉ DE MÉDECINE D’ORAN 1ère Année de Médecine MODULE DE BIOCHIMIE Biochimie Structurale et Métabolique CHAPITRE 1: Les Glucides Digestion et absorption des glucides & Glycolyse Dr M. Nachi Maitre de conférences A en Biochimie Année Universitaire 2020-2021 1  ~~~~~~~~~~ Plan du cours Introduction 1 DIGESTION ET ABSORPTION DES GLUCIDES..............................................................3 1.1 Digestion pré-intestinale par l’amylase salivaire......................................................3 1.2 Digestion intestinale..................................................................................................4 1.3 Absorption des glucides............................................................................................4 2 TRANSPORT SANGUIN ET CELLULAIRE DU GLUCOSE.............................................5 2.1 Transport sanguin......................................................................................................5 2.2 Transport cellulaire....................................................................................................6 3 LA GLYCOLYSE...................................................................................................................6 3.1 Définition...................................................................................................................6 3.2 Lieu de déroulement..................................................................................................6 3.3 Les différentes phases de la glycolyse.......................................................................6 3.4 Étapes enzymatiques de la glycolyse........................................................................8 3.5 Le bilan énergétique de la glycolyse.......................................................................13 3.6 Régulation de la glycolyse.......................................................................................13 3.6.1 Régulation enzymatique...................................................................................13 3.6.2 Régulation hormonale......................................................................................16 4 DEVENIR DU PYRUVATE................................................................................................17 5 PATHOLOGIES....................................................................................................................18 5.1 Anomalies de la digestion.......................................................................................18 5.2 Anomalie de l’absorption........................................................................................18 5.3 Déficiences enzymatiques héritée...........................................................................18 2 Introduction Les glucides fournissent 50 à 60% de la ration énergétique quotidienne (1g de glucides = 4Kcal). 80 à 90% de l’énergie fournie par les hydrates de carbone est sous forme de glucose. Le D glucose est le principal carburant de la plupart des organismes et occupe une position centrale dans le métabolisme cellulaire, il est riche en énergie potentielle. 1 DIGESTION ET ABSORPTION DES GLUCIDES L’alimentation est principalement composée de polysaccharides (amidon, cellulose, …) et de disaccharides (saccharose, lactose). Seuls les monosaccharides (glucose, fructose, galactose) peuvent être absorbés par les entérocytes ce qui implique une digestion complète de grosses molécules non absorbables. Le site majeur de digestion est l’intestin grêle. Les mammifères ne possèdent pas d’enzymes capables de digérer des polysaccharides avec des liaisons β-glucose (cellulose, hémicellulose,…). Ces liaisons de type β peuvent être hydrolysées par des enzymes bactériennes au niveau du gros intestin chez toutes les espèces. 1.1 Digestion pré-intestinale par l’amylase salivaire Permet de digérer chez l’Homme environ 70% de l’amidon 3 1.2 Digestion intestinale  Dans la lumière intestinale par l’amylase pancréatique : Digestion très rapide (plus puissante que l’amylase salivaire) Obtention de : Maltose, maltotriose, dextrines à partir de l’amidon Le lactose et saccharose ne sont pas hydrolysés.  Au niveau de la bordure en brosse par les oligosaccharidases produites par les entérocytes.  Au niveau du gros intestin : digestion microbienne. 1.3 Absorption des glucides Seuls les monosaccharides (glucose, fructose, galactose) peuvent être absorbés par les entérocytes. Absorption essentiellement dans le duodénum et le jéjunum. La membrane est lipophile ce qui empêche le passage direct des sucres.Les sucres simples ont besoin de transporteurs pour être absorbés. 4 Deux familles de transporteurs coexistent :  Transporteurs ne nécessitant pas d’ATP (Diffusion facilitée ou passive) : Famille GLUT : glucose transporter (glycoprotéines transmembranaires).  Transporteurs nécessitant de l’ATP (Absorption active secondaire) : SGLT « sodium-glucose linked transporter ».  Au niveau de la membrane apicale SGLT1 : glucose, galactose GLUT5 : fructose  Au niveau de la membrane basolatérale GLUT2 : glucose, fructose et galactose 2 TRANSPORT SANGUIN ET CELLULAIRE DU GLUCOSE 2.1 Transport sanguin - Les oligosaccharides (glucose, fructose et galactose) sont molécules hydrosolubles, ils circulent librement dans le sang. Le glucose est capté à 30 à 40 % par le foie mais aussi par d’autres tissus (cerveau, hématies, muscles, tissu adipeux). - Le glucose retrouvé dans le sang en période alimentaire provient de l’intestin. - En période de jeûne, il provient du foie (glycogénolyse + néoglucogenèse). 5  2.2 Transport cellulaire Les oses franchissent la membrane cellulaire à l’aide des Glut  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; 3 LA GLYCOLYSE 3.1 Définition La voie d’EMBDEN MEYERHOFF-PARNAS est la voie du catabolisme oxydatif anaérobie du glucose en pyruvate. Ne nécessite pas d’oxygène mais a lieu même en présence d’oxygène avec production d’ATP et de métabolites intermédiaires. 3.2 Lieu de déroulement  Procaryotes, eucaryote.  La glycolyse a lieu dans toutes les cellules mais à des degrés variables :  Les GR et le cerveau tissus dits: gluco-dépendants n’utilise que le glucose,  Le muscle et le myocarde: utilise le glucose en période post prandiale,  Le foie et les tissus adipeux utilisent peu le glucose. 3.3 Les différentes phases de la glycolyse La glycolyse est divisée en deux grandes phases comportant une série de 10 réactions enzymatiques catalysées par 10 enzymes de localisation cytoplasmique.  Phase préparatoire d’investissement énergétique : réactions d’activation avec utilisation d’ATP (réactions 1 et 3). 6  Phase de remboursement ou retour d’investissement : oxydation avec production d’ATP et de NADH (réactions 6,7 et 10). 7 3.4 Étapes enzymatiques de la glycolyse Réaction 1 : Phosphorylation du glucose par l’ATP La réaction est catalysée par une hexokinase. C’est une réaction irréversible qui représente le point de contrôle. Les kinases sont des enzymes qui calalysent le transfert d’un groupe phosphoryle de l’ATP à un accepteur. Ainsi l’hexokinase catalyse le transfert d’un groupe phosphoryle de l’ATP a toute une série d’oses à six carbones tels que le mannose et le glucose. Réaction 2 : Isomérisation du glucose-6phosphate C’est une réaction de réarrangement d’atomes pour former des isomères (réaction réversible) : Conversion d’un aldose en cétose. 8  Réaction 3 : Synthèse de fructose 1,6 biphosphate Transfert de phosphoryle par une phosphotransférase : Phosphofructokinase (PFK1) La réaction est irréversible consommant de l’énergie (ATP) (2ème point de contrôle). La PFK à un rôle très important dans la régulation de la glycolyse. Cette étape engage définitivement le glucose vers le catabolisme. Réaction 4 : Clivage du fructose 1,6 diphosphate C’est une réaction réversible catalysée par la fructose -1,6-biphosphate aldolase. Aldolase : c’est une lyase qui sert à additionner ou éliminer un groupement pour former des doubles liaisons. L’aldolase produit le glyceraldehydes 3-phosphqte (GAP) et le dihydroxyacetone phosphate (DHAP). Seulement GAP est utilisé par les réactions suivantes. Réaction réversible 9 Réaction 5 : Inter conversion des trioses phosphates C’est une réaction d’isomérisation catalysé par la triose phosphate isomérase conduisant à la conversion d’un cétose(DHAP) en aldose(GAP) pour être utilisé dans les réactions suivantes. Réaction 6 : Synthèse du 1,3 diphosphoglycérate C’est une réaction d’oxydation couplée à la phosphorylation avec formation d’une liaison anhydride d’acide, riche en énergie et production de NAD, un coenzyme d’oxydoréduction. 10 Réaction 7: Synthèse de 3 phosphoglycérate Transfert de phosphoryle par une phosphotransférase : Phosphoglycerate kinase C’est une réaction réversible fournissant de l’énergie (ATP). Réaction 8: Synthèse de 2- phosphoglycérate C’est une réaction réversible d’isomérisation catalysée par une phosphoglycérate mutase entrainant le transfert intramoléculaire du phosphate de la position 3 à la position 2. 11 Réaction 9 : Synthèse du phosphoenolpyruvate (PEP) C’est une réaction de déshydratation (élimination d’une molécule d’eau) réversible, catalysée par une Enolase avec formation d’une liaison riche en énergie (PEP). Réaction 10 : Synthèse du Pyruvate Transfert de phosphoryle par une phosphotransférase, la Pyruvate kinase. C’est réaction irréversible produisant de l’énergie(ATP) (3ème point de contrôle). 12 3.5 Le bilan énergétique de la glycolyse Deux molécules d’ATP consommées durant la première phase d’investissement et deux ATP produites pour chaque GAP transformé en pyruvate. Au total une molécule de glucose donne deux molécules de GAP et donc deux pyruvates et un gain de deux ATP.. 3.6 Régulation de la glycolyse 3.6.1 Régulation enzymatique Dans les voies métaboliques, les enzymes qui catalysent les réactions essentiellement irréversibles sont des sites potentiels de contrôle. L’enzyme catalysant l’étape d’engagement dans une séquence métabolique est l’élément de contrôle le plus important de la voie. Phosphofructokinase (PFK1) (Enzyme clé dans le contrôle de la glycolyse) Trois mécanismes permettent de moduler l’activité de la PFK1:  Induction de la synthèse de cette enzyme  Modification covalente des enzymes par phosphorylation ou déphosphorylation  Régulation allostérique par des effecteurs 13 La PFK1 est inhibée par : ATP: elle se fixe sur un site régulateur différent du site catalytique ce qui abaisse son affinité pour le substrat. Une augmentation de la charge énergétique inhibe la glycolyse, une diminution de celle- ci l’augmente : rapport ATP/AMP diminué ce qui stimule l’activité de l’enzyme PFK1. Citrate: Intermédiaire du cycle de l’ac citrique (cycle de krebs) L'augmentation de la concentration en citrate signifie que les précurseurs biosynthétiques sont abondants et le glucose n’a pas à être dégradé dans ce but. Le citrate inhibe la PFK en augmentant l’effet inhibiteur de l’ATP La PFK1 est activée par :  Le Fructose2-6 biphosphate qui est : Activateur puissant de la PFK, il l’active dans le foie en augmentant son affinité pour le Fructose6P et en diminuant l’effet inhibiteur de l’ATP. Ce composé n’est pas un intermédiaire de la glycolyse mais plutôt un activateur allostérique de la PFK1. 14 Hexokinase/glucokinase L’hexokinase a une activité limitée: Une accumulation de G6P l’inhibe par rétrocontrôle allostérique exercé par le G6P. Lorsque la PFK est inactive, la concentration de F6P augmente. Le taux de G6P augmente car il est en équilibre avec le F6P ainsi l’inhibition de la PFK conduit à l’inhibition de l’HK. Regulation de la glucokinase L’activité de la glucokinase dans le foie est proportionnelle à la concentration intracellulaire de glucose(reflet de la concentration plasmatique). Elle phosphoryle le glucose uniquement lorsqu’il est abondant car elle a un Km élevé. Elle est Inhibée par fructose6-phosphate. 15 Régulation de la Pyruvate kinase  Enzyme allostérique.  Son inhibiteur est l’ATP et alanine pour ralentir la glycolyse lorsque la charge énergétique est élevée.  Son activateur est le fructose 1,6 biphosphate afin de la rendre capable de maintenir une vitesse adaptée à un flux élevé d’intermédiaire métabolique.  Régulé par son état de phosphorylation : Lorsque le taux du glucose sanguin est bas le glucagon déclenche une cascade contrôlé par l’AMPc conduisant à la phosphorylation de la pyruvate kinase ce qui diminue son activité. 3.6.2 Régulation hormonale 16 4 DEVENIR DU PYRUVATE Le devenir du Pyruvate va dépendre des conditions suivantes:  La présence ou l’absence de l’oxygéne dans l’environnement de la cellule ;  La situation énergétique de la cellule ;  L’équipement enzymatique dont la cellule va disposer pour oxyder le NADH,H. En presence d’oxygène Le pyruvate s’oriente vers la voie de l’acide citrique ou cycle de krebs pour produire le CO2, l’H2O et des intermédiaires énergétiques qui permettront la fabrication de l’énergie par le processus de la phosphorylation oxydative. En absence d’oxygène La fermentation lactique Lorsque la cellule ne dispose pas de mitochondries, cas des hématie ou privée d’oxygène (anaérobiose) ou en condition hypoxique (Tissu musculaire en contraction), le Pyruvate est réduit en lactate par le NADH ,H+ formé au cours de la glycolyse. La réaction catalysée par la lactate déshydrogénase régénère le NAD+. La fermentation alcoolique Cette transformation de Pyruvate en éthanol se rencontre dans les levures qui ne possèdent pas de lactate déshydrogénase mais possèdent a la place une Pyruvate décarboxylase. Le Pyruvate est décarboxylé en acétaldéhyde par la Pyruvate décarboxylase L’acetaldehyde est réduit en alcool ou éthanol par l’alcool déshydrogénase avec consommation de NADH,H+ formé dans la glycolyse et régénération de NAD+. 17 5 PATHOLOGIES 5.1 Anomalies de la digestion Dues à des carences en enzymes de la digestion : responsables d’affections spécifiques. Le plus fréquent : Intolérance au lactose par déficience en lactase - Déficience congénitale nécessite un régime sans lactose - Faible activité lactasique : diminution graduelle avec l’âge 5.2 Anomalie de l’absorption Malabsorption congénitale des aldohexoses (glucose et lactose) - Diarrhée aqueuse en période néo-natale : entraîne une mort par déshydratation - Déficit en SLGT1 - Traitement : régime alimentaire sans glucides sauf fructose et inuline 5.3 Déficiences enzymatiques héritée Exprimé essentiellement dans les érythrocytes. 95% présente une déficience en pyruvate kinase et 4% en phosphoglucoisomérase. Quelques déficiences conjointes de la pyruvate kinase et de l’hexokinase. Le déficit en pyruvate kinase dans les GR est très grave : Les GR ne possèdent pas de mitochondries et dépondent exclusivement de la glycolyse pour leur aprovisionnement en ATP. Il s’installe alors un mauvais fonctionnement de la glycolyse et une production insuffisante de l’ATP pour le maintien, l’entretien et le fonctionnement de leur structure membranaire. La membrane se déforme et les GR sont prématurément phagocytés par les cellules du système reticulo-endoplasmique ce qui est à l’origine de l’anémie hémolytique. 18