Glucolyse

La glycolyse (γλῠκὖς glykýs « sucré » et λύσις lýsis « dissolution ») ou voie d'Embden-Meyerhof-Parnas est une voie métabolique d'assimilation du glucose et de production d'énergie. Elle se déroule dans le cytoplasme (ou cytosol) de la cellule. Comme son nom l'indique elle nécessite du glucose et a pour produit du pyruvate. Ce dernier peut soit entrer dans le cycle de Krebs, qui se déroule dans la mitochondrie des eucaryotes ou le cytoplasme des bactéries en aérobiose, soit être métabolisé par fermentation en anaérobiose, pour produire par exemple du lactate ou de l'éthanol.

La glycolyse est un mécanisme de régénération de l'ATP qui ne nécessite pas d'oxygène. Au cours de ce processus, on assiste à :

• des réactions d'oxydo-réduction au cours desquelles un accepteur d'électrons (coenzyme NAD) est réduit:

NAD⁺ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → (NADH,H⁺)

• des synthèses d'ATP par phosphorylation de l'ADP (formation de 4 molécules d'ATP, mais consommation de 2, soit au total formation de 2 molécules d'ATP : 2 ADP + 2 P_i → 2 ATP + 2 H₂O). Le symbole P_i représente ici le phosphate d'hydrogène H₃PO₄ encore appelé phosphate inorganique.

La glycolyse se traduisant par la réduction de coenzymes, elle s'accompagne donc de l'oxydation de molécules organiques. On peut dire qu'elle correspond à l'oxydation du glucose en pyruvate :

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ → 2 CH₃-CO-COOH + 2 (NADH,H⁺)

couplée à

2 ADP + 2 P_i → 2 ATP + 2 H₂O

soit au total

glucose + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ → 2 pyruvate + 2 ATP + 2 (NADH,H⁺) + 2 H₂O

(dans la réaction ci-dessus, le terme « pyruvate » CH₃-CO-COO^- désigne en toute rigueur son acide conjugué l'acide pyruvique CH₃-CO-COOH)

Sommaire 1 Étapes de la glycolyse 1.1 Activation des hexoses 1.1.1 Synthèse du glucose-6-phosphate 2 Isomérisation du glucose-6-phosphate 2.1 Synthèse de fructose-1,6-biphosphate 2.2 Formation des trioses phosphates 2.2.1 Formation du glycéraldéhyde-3-phosphate (PGAL ou G3P) et du dihydroxyacétonephosphate (DHAP) 2.2.2 Isomérisation des triosephosphates 2.3 Récupération de l'énergie 2.3.1 Synthèse du 1,3-diphosphoglycérate 2.3.2 Synthèse de 3-phosphoglycérate et récupération d'ATP 2.3.3 Synthèse du 2-phosphoglycérate 2.3.4 Synthèse du phosphoénolpyruvate 2.3.5 Synthèse de pyruvate et récupération d'ATP 3 Bilan de la glycolyse 4 Régulation de la glycolyse 4.1 Régulation de la PFK-1 4.2 Régulation de la pyruvate kinase 5 Réoxydation des coenzymes 6 Voir aussi 7 Liens externes

Étapes de la glycolyse

Étapes de la glycolyse

Glucose Glucose-6-phosphate Fructose 6-phosphate Fructose 1,6-bisphosphate Dihydroxyacétone phosphate Glycéraldéhyde 3-phosphate Glycéraldéhyde 3-phosphate ATP ADP ATP ADP NAD+ + Pi NADH + H+ + 2 NAD+ + Pi NADH + H+ 1,3-Bisphosphoglycérate 3-Phosphoglycérate 2-Phosphoglycérate Phosphoénolpyruvate Pyruvate Acétyl-CoA ADP ATP H2O ADP ATP CoA + NAD+ NADH + H+ + CO2 2 2 2 2 2 2 ADP ATP H2O

Activation des hexoses

Synthèse du glucose-6-phosphate

• Cette réaction est irréversible. Elle est catalysée par une kinase, soit une hexokinase, non spécifique du glucose qui, chez les mammifères, se trouve le plus souvent dans le muscle, soit une glucokinase, spécifique du glucose. On signalera que ces deux enzymes ont des K_m différents avec pour valeurs respectives 0,1mM et 10mM en sachant que le km est inversement proportionnel a l'affinité de l'enzyme. Ces deux enzymes sont Mg²⁺ dépendantes. Chez l'homme, la glucokinase est localisée dans le foie et dans les cellules pancréatiques. En effet, cette dernière est parfaitement adaptée à la fonction de stockage du foie (elle fonctionne principalement lors d'afflux de glucose importants, après un repas par exemple, et contribue ainsi à la régulation de la glycémie). Un dysfonctionnement de cette enzyme est donc responsable de certains types de diabète (diabètes MODY qui, pour 50% des cas, sont dus à une mutation de la glucokinase).

• (Dans les images ci-dessous, le symbole P dans un cercle noir représente un groupement -O-PO₃^2-). La phosphorylation du glucose n'est pas spécifique de la glycolyse. Cette étape sert également de point de départ dans la voie des pentoses phosphates ou pour la glycogènogénèse.

Remarque: toutes les reactions qui ont une variation d'energie libre importante sont irreversibles, et comme cette phosphorylation est énergétiquement très favorisée, la reaction est irreversible. C'est pourquoi ces enzymes sont très régulées afin d'éviter l'emballement du système, à l'instar des deux autres étapes irréversibles de la glycolyse. (Phosphofructokinase, Pyruvate kinase). L'hexokinase est notamment inhibée par son propre produit, le glucose-6-phosphate (rétrocontrôle négatif), et son expression génique est induite par l'insuline. La glucokinase n'est quant à elle pas inhibée par le glucose-6-phosphate, mais son expression génique est induite par l'insuline.

Isomérisation du glucose-6-phosphate

Il s'agit d'une isomérisation, réaction réversible catalysée par une phosphohexose isomérase donnant, à partir de glucose-6-phosphate du fructose-6-phosphate.

Synthèse de fructose-1,6-biphosphate

Cette réaction, catalysée par une phosphofructokinase (PFK) est irréversible et Mg²⁺ dépendante. Cette enzyme catalyse la première étape qui soit spécifique de la glycolyse. Elle est très fortement régulée de manière allostérique par l'ATP_libre (l'ATP_libre est la forme de l'ATP non complexé au magnésium), qui est le produit final "utile" de la glycolyse. Plus la concentration en ATP_libre est importante, plus cette réaction est lente et, inversement, plus la concentration en ATP_libre est faible, plus l'enzyme est active. Il s'agit d'un système cybernétique d'autocontrôle de la glycolyse. Plusieurs modéles mathématiques de la glycolyse ont été mis au point et montrent que cette étape est la plus importante de celles qui contrôlent le flux de la glycolyse.

L'inhibition par l'ATP est réversible par l'AMP, ce qui permet de garder un rapport ATP/AMP constant.

Mais elle est surtout régulée par le fructose-2,6-biphosphate (F26BP): En effet, la production de F26BP à partir du F6P a pour seule fonction de mettre en évidence une saturation de la voie en F6P ("trop plein"), car le F26BP n'a pas de devenir métabolique. Par allostérie, le F26BP active donc la phosphofructokinase afin de stimuler la consommation de F6P et ainsi empêcher sa propre formation.

Formation des trioses phosphates

Formation du glycéraldéhyde-3-phosphate (PGAL ou G3P) et du dihydroxyacétonephosphate (DHAP)

Cette réaction est réversible et catalysée par une aldolase (groupe des lyases). (Le dihydroxyacétonephosphate est la molécule du bas). Il est possible de passer, de manière réversible, du D-glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) au dihydroxyacétonephosphate (DHAP) grâce à la triose-phosphateisomérase. C'est la réaction inverse de la condensation aldolique.

Isomérisation des triosephosphates

Cette réaction est réversible (catalysée par une triosephosphateisomérase) mais la réaction suivante consommant du D-glycéraldéhyde-3-phosphate, l'équilibre est déplacé dans le sens de la synthèse de ce dernier. (Dans les images suivantes, le symbole P encerclé représente un groupement -PO₃^2-).

Récupération de l'énergie

Synthèse du 1,3-diphosphoglycérate

Cette réaction d'oxydoréduction, réversible et catalysée par une D-glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (oxydo-réductase), conduit à la formation d'une liaison acylthioester à haut potentiel de transfert. Cette étape constitue le début de la seconde partie de la glycolyse. L'énergie contenue dans les liaisons à haut potentiel de transfert va être utilisé pour la synthèse de l'ATP. Les coenzymes sont réduits (gain d'électrons).

Dans l'érythrocyte, une réaction catalysée par une mutase produit du 2,3-diphosphoglycérate à partir du 1,3-diphosphoglycérate, un important effecteur allostérique de l'hémoglobine (régulation de son affinité pour l'oxygène). Le 2,3-diphosphoglycérate est ensuite converti en 3-phosphoglycérate sans production d'une molécule d'ATP (relargage d'un phosphate inorganique) par la 2,3-diphosphoglycérate phosphatase, lequel suit la voie de la glycolyse.

Synthèse de 3-phosphoglycérate et récupération d'ATP

Il y a synthèse d'ATP (récupération d'énergie), cette réaction, réversible, est catalysée par une phosphoglycératekinase (transférase).

Synthèse du 2-phosphoglycérate

Cette réaction, réversible, est catalysée par une phosphoglycératemutase (groupe des transférases) .

Synthèse du phosphoénolpyruvate

Cette réaction, catalysée par une énolase (groupe des lyases), réversible, conduit à la formation d'une liaison à haut potentiel de transfert (fonction énolphosphate), le phosphoénolpyruvate (PEP) au ΔG° = 51 kJ.mol⁻¹.

Synthèse de pyruvate et récupération d'ATP

Le groupement phosphate et sa liaison à haut potentiel de transfert permettent par couplage la synthèse d'une molécule d'ATP. Cette réaction, Mg²⁺ dépendante et irréversible, est catalysée par une pyruvatekinase.

Bilan de la glycolyse

On utilise :

• 1 mole de glucose
• 2 moles de coenzymes oxydés
• 2 moles d'ADP
• 2 moles de P_i (phosphate inorganique)

Pour produire :

• 2 moles de pyruvate
• 2 moles de coenzymes réduits
• 2 moles d'ATP
• 2 moles d'eau

on gagne également 4 protons(H⁺) : 2 lorsque 2NAD⁺ DONNE 2NADH + 2H⁺, 1 lorsque glucose devient glucose-6-phosphate et 1 lorsque fructose-6-phosphate devient fructose-1,6-diphosphate.

On a finalement produit 2 moles d'ATP pour lyser 1 mole de glucose. Ce bilan est faible.

Régulation de la glycolyse

La glycolyse est principalement régulée au niveau de 2 enzymes clés qui sont la PFK-1 et la pyruvate kinase.

Régulation de la PFK-1

La PFK-1 est régulée de façon allostérique:

• L'ATP et le citrate agissent comme des inhibiteurs
• L'AMP et le F 2,6 di-P agissent comme des activateurs.

La concentration en F 2,6 di-P est donc primordiale sur la glycolyse. Elle est régulée par la phosphofructokinase-2 dont l'activité sera différente selon son état de phosphorylation:

• Par l'action du glucagon (hormone hyperglycémiante), elle sera phosphorylée et catalysera la réaction F 2,6 di-P + H₂O → F6P + Pi. Ainsi la concentration de F 2,6 di-P diminuera et la glycolyse sera ralentie.
• Par l'action de l'insuline (hormone hypoglycémiante) elle sera déphosphorylée et catalysera la réaction F6P + ATP → F 2,6 di-P + ADP. Ainsi la concentration de F 2,6 di-P augmentera et la glycolyse sera accélérée.

Régulation de la pyruvate kinase

La pyruvate kinase est régulée allostériquement et ceci de façon ubiquitaire :

• L'AMP et le F 1,6 di-P sont des activateurs
• L'ATP, l'Acétyl-CoA et l'alanine sont des inhibiteurs.

Au niveau du foie, elle est également régulée de façon covalente (par l'action d'hormones)

• Le glucagon va phosphoryler cette enzyme pour l'inhiber
• L'insuline va réaliser l'action inverse pour l'activer.

Réoxydation des coenzymes

Il est important de comprendre que la glycolyse cesse lorsque les coenzymes ne sont pas réoxydés sous la forme NAD⁺. Sans ces coenzymes, l'étape catalysée par l'enzyme D-glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase ne peut se produire, provoquant l'arrêt de la glycolyse. Il est donc crucial de régénérer ces coenzymes.

Il existe deux voies métaboliques principales pour cela : l'une ne nécessite pas de dioxygène, et est appelée fermentation. Il en existe de plusieurs sortes : fermentation lactique (qui se produit dans le muscle non oxygéné), fermentation butyrique, alcoolique… L'autre voie de réoxydation des coenzymes nécessite le dioxygène, qui joue le rôle d'accepteur d'électron final, et est appelée respiration, certains parlent de respiration cellulaire pour la différencier de la ventilation pulmonaire, bien que les contextes d'utilisation ne prêtent pas à confusion. Elle a lieu au niveau de la chaîne respiratoire des mitochondries (phosphorylation oxydative) chez les eucaryotes et dans le cytoplasme des bactéries. Le bilan énergétique de la glycolyse suivie de la respiration (36 ATP) est environ 20 fois plus élevé que celui de la glycolyse suivie de la fermentation (2 ATP pour la fermentation lactique).

Voir aussi

Autres voies de dégradation du glucose :

• la voie des pentoses phosphates
• la voie d'Entner-Doudoroff
• Pyruvate
• la voie inverse de la glycolyse, la néoglucogenèse

Liens externes

• La logique chimique de la glycolyse (anglais)

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