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6.3 : Glycolyse - Biologie


La glycolyse, qui signifie littéralement "dégradation du sucre", est un processus catabolique dans lequel les sucres à six carbones (hexoses) sont oxydés et décomposés en molécules de pyruvate. La voie anabolique correspondante par laquelle le glucose est synthétisé est appelée gluconéogenèse. La glycolyse et la gluconéogenèse ne sont pas des processus oxydatifs/réducteurs majeurs en eux-mêmes, avec une étape dans chacun impliquant une perte/gain d'électrons, mais le produit de la glycolyse, le pyruvate, peut être complètement oxydé en dioxyde de carbone.En effet, sans production de pyruvate à partir du glucose dans la glycolyse, une source d'énergie majeure pour la cellule n'est pas disponible. En revanche, la gluconéogenèse peut synthétiser du glucose de manière réductrice à partir de matériaux très simples, tels que le pyruvate et l'acétyl-CoA/glyoxylate (au moins dans les plantes). Pour ces raisons, nous incluons ces voies dans le rouge /collection de bœufs.

Le glucose est l'hexose le plus abondant dans la nature et est celui que les gens associent généralement à la glycolyse, mais le fructose (sous forme de fructose-6-phosphate) est métabolisé dans la cellule et le galactose peut facilement être converti en glucose pour le catabolisme dans la voie comme bien. Les produits métaboliques finaux de la voie sont deux molécules d'ATP, deux molécules de NADH et deux molécules de pyruvate, qui, à leur tour, peuvent être oxydées davantage dans le cycle de l'acide citrique.

Intermédiaires

Le glucose et le fructose sont les « entonnoirs » du sucre servant de points d'entrée à la voie glycolytique. Les autres sucres doivent être convertis en l'une ou l'autre de ces formes pour être directement métabolisés. Certaines voies, y compris le cycle de Calvin et la voie des pentoses phosphates (PPP, voir ci-dessous) contiennent des intermédiaires en commun avec la glycolyse, donc dans ce sens, presque n'importe quel sucre cellulaire peut être métabolisé ici. Les intermédiaires de la glycolyse qui sont communs à d'autres voies comprennent le glucose-6-phosphate (PPP, métabolisme du glycogène), F6P (PPP), G3P (Calvin, PPP), DHAP (PPP, métabolisme du glycérol, Calvin), 3PG (Calvin, PPP) , PEP (métabolisme végétal en C4, Calvin) et pyruvate (fermentation, genèse de l'acétyl-CoA, métabolisme des acides aminés).

Réactions

La voie de la glycolyse commence par deux apports d'énergie. Premièrement, le glucose obtient un phosphate de l'ATP pour fabriquer du glucose-6-phosphate (G6P) et plus tard le fructose-6-phosphate (F6P) obtient un autre phosphate de l'ATP pour fabriquer du fructose-1,6-bisphosphate (F1,6BP). Avec la pompe ainsi amorcée, la voie procède d'abord à la division du F1,6BP en deux intermédiaires à 3 carbones. Plus tard, la seule étape d'oxydation dans l'ensemble de la voie se produit. Dans cette réaction, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) est oxydé et un phosphate est ajouté, créant du 1,3-bisphosphoglycérate (1,3 BPG).

L'ajout du phosphate masque parfois l'oxydation qui s'est produite. Le G3P était un aldéhyde. Le 1,3 BGP est un acide estérifié en phosphate. Les deux phosphates de la minuscule molécule 1,3BPG se repoussent et donnent à la molécule une haute énergie. Il utilise cette énergie pour phosphoryler l'ADP afin de produire de l'ATP.


Comme il y a deux 1,3 BPG produits pour chaque glucose, les deux ATP produits reconstituent les deux ATP utilisés pour démarrer le cycle.

La synthèse d'ATP directement à partir d'une réaction métabolique est connue sous le nom de phosphorylation au niveau du substrat, bien qu'elle ne soit pas une source importante d'ATP. La glycolyse a deux réactions au cours desquelles la phosphorylation au niveau du substrat se produit.

Le transfert de phosphate du 1,3BPG à l'ATP crée du 3-phosphoglycérate (3-PG). La conversion de 3-PG en 2-PG se produit par un mécanisme important. Un intermédiaire dans la réaction (catalysé par la phosphoglycérate mutase) est le 2,3 BPG. Cet intermédiaire, stable, est libéré à basse fréquence par l'enzyme au lieu d'être converti en 2-PG. Le 2,3BPG est important car il se lie à l'hémoglobine et stimule la libération d'oxygène. Ainsi, les cellules qui métabolisent le glucose libèrent rapidement plus de 2,3BPG et, par conséquent, stimulent la libération de plus d'oxygène, répondant à leurs besoins.

Le 2-PG est converti en phosphoénolpyyruvate (PEP) par élimination de l'eau, créant un intermédiaire à très haute énergie. La conversion de PEP en pyruvate est la phosphorylation de deuxième niveau de substrat de la glycolyse, créant de l'ATP. Il y a presque assez d'énergie dans la PEP pour stimuler la production d'un deuxième ATP, mais elle n'est pas utilisée. Par conséquent, l'énergie est perdue sous forme de chaleur. Si vous vous demandez pourquoi vous avez chaud lorsque vous faites de l'exercice, la réaction qui convertit le PEP en pyruvate est le principal coupable.

Enzymes/Contrôle

Le contrôle de la glycolyse est inhabituel pour une voie métabolique, dans la mesure où la régulation se produit à trois points enzymatiques :

[underbrace{ ce{Glucose <=> G6P}}_{ ext{hexokinase} }]

[underbrace{ ce{F6P <=> F1,6BP}}_{ ext{phosphofructokinase (PFK)} }]

et

[underbrace{ ce{PEP <=> pyruvate}}_{ ext{pyruvate kinase} }.]

La glycolyse est régulée de manière réciproque par rapport à sa voie anabolique correspondante, la gluconéogenèse. La régulation réciproque se produit lorsqu'une même molécule ou un même traitement (phosphorylation, par exemple) a des effets opposés sur les voies cataboliques et anaboliques. La régulation réciproque est importante lorsque les voies anaboliques et cataboliques correspondantes se produisent dans le même emplacement cellulaire.

A titre d'exemple, considérons la régulation de la PFK. Il est activé par plusieurs molécules, notamment le fructose-2,6-bisphosphate (F2,6BP). Cette molécule a un effet inhibiteur sur l'enzyme correspondante de la néoglucogenèse, la fructose-1,6-bisphosphatase (F1,6BPase).

Vous vous demandez peut-être pourquoi la pyruvate kinase, la dernière enzyme de la voie, est régulée. La réponse est simple. La pyruvate kinase catalyse la réaction de glycolyse la plus énergétiquement riche. La réaction est tellement favorisée dans le sens direct que les cellules doivent faire un « deux pas » autour d'elle dans le sens inverse lors de la fabrication du glucose. En d'autres termes, il faut deux enzymes, deux réactions et deux triphosphates pour revenir du pyruvate au PEP dans la gluconéogenèse. Lorsque les cellules ont besoin de fabriquer du glucose, elles ne peuvent pas être détournées en faisant reconvertir directement le PEP qu'elles ont fabriqué lors de la néoglucogenèse en pyruvate par la pyruvate kinase. Par conséquent, la pyruvate kinase est inhibée pendant la néoglucogenèse, de peur qu'un « cycle futile » ne se produise.

Un autre mécanisme de contrôle intéressant appelé activation anticipée implique la pyruvate kinase. La pyruvate kinase est activée allostériquement par la F1,6BP. Cette molécule est un produit de la réaction PFK et un substrat pour la réaction d'aldolase. Il est à noter que la réaction de l'aldolase est énergétiquement défavorable (forte +(Delta)G°’), permettant ainsi à la F1,6BP de s'accumuler. Lorsque cela se produit, une partie de l'excès de F1,6BP active la pyruvate kinase, ce qui déclenche la conversion de PEP en pyruvate. La baisse des taux de PEP qui en résulte a pour effet de « tirer » sur les réactions précédant la pyruvate kinase. En conséquence, les concentrations de G3P et de DHAP chutent, aidant à faire avancer la réaction de l'aldolase.

Métabolisme du pyruvate

Comme indiqué, le pyruvate produit lors de la glycolyse peut être oxydé en acétyl-CoA, qui est lui-même oxydé dans le cycle de l'acide citrique en dioxyde de carbone. Ce n'est pas le seul destin métabolique du pyruvate, cependant.


Le pyruvate est un point de "départ" pour la gluconéogenèse, étant converti en oxaloacétate dans la mitochondrie dans la première étape. Le pyruvate chez les animaux peut également être réduit en lactate lorsque l'oxygène est limitant. Cette réaction, qui nécessite du NADH produit ( ext{NAD} ^+) et est essentiel pour générer cette dernière molécule afin de maintenir la réaction de la glycolyse glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase en l'absence d'oxygène.


L'oxygène est nécessaire au fonctionnement du système de transport d'électrons et c'est à son tour ce qui oxyde le NADH en ( ext{NAD}^+) . En l'absence d'oxygène, donc, un autre moyen de faire ( ext{NAD}^+) est nécessaire, sinon la glycolyse s'arrêtera. Les bactéries et les levures ont du NADH nécessitant des réactions qui se régénèrent ( ext{NAD}^+) tout en produisant de l'éthanol à partir de pyruvate dans des conditions anaérobies, au lieu de l'acide lactique. Ainsi, la fermentation du pyruvate est nécessaire pour maintenir la glycolyse en fonctionnement lorsque l'oxygène est limitant. C'est aussi pour ces raisons que le brassage de la bière (à l'aide de levure) entraîne un appauvrissement en oxygène et que les muscles pauvres en oxygène produisent de l'acide lactique (animaux).


Le pyruvate est un précurseur de l'alanine qui peut être facilement synthétisé par transfert d'azote à partir d'un donneur d'amine, tel que l'acide glutamique. Le pyruvate peut également être converti en oxaloacétate par carboxylation au cours du processus de néoglucogenèse (voir Figure 6.3.8).

Les enzymes impliquées dans le métabolisme du pyruvate comprennent la pyruvate déshydrogénase (produit l'acétyl-CoA), la lactate déshydrogénase (produit le lactate), les transaminases (produit l'alanine), un
pyruvate carboxylase (fait de l'oxaloacétate).


Voir la vidéo: Cours de biochimie: Glycolyse (Janvier 2022).