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Catabolisme glucidique

Introduction

Le métabolisme est l'ensemble des réactions chimiques d'une cellule. On va avoir une succession ordonnée de réaction chimiques qui peuvent être soit une voie métabolique, soit un cycle métabolique. Ce métabolisme n'est possible que par la présence de catalyseurs ou enzymes et les voies métaboliques vont se diviser en 3 catégories : catabolique, anabolique et amphibolique.

Le but de ce catabolisme est de transformer les aliments en énergie cellulaire.L'ensemble des réactions de biosynthèse = anabolisme (elle nécessite de l'énergie), elles sont endothermiques. L'ensemble des réaction de dégradation = catabolisme (transforme les aliments en énergie cellulaire, elles font intervenir des processus d'oxydations). Elles sont exothermiques.

Il y a un équilibre entre les vois de catabolisme et d'anabolisme, équilibre entre les apport et les dépenses : l'homéostasie résulte d'un équilibre entre les dépenses et les apports énergétiques.

Les voies amphiboliques se situent au carrefour du métabolisme, et servent de lien entre l'anabolisme et le catabolisme.

On a 3 grands métabolismes :- glucidique- lipidique- azoté

Les deux premières voies (glucidique et lipidique) sont orientés vers la fourniture d'énergie aboutissant à l'acétyl CoA. Les lipides alimentaires sont la source dʼacide gras a longue chaine qui peuvent etre oxydé en acétyl CoA cʼest ce quʼon appelle la béta oxydation ou alors ils peuvent etre estérifié avec le glycérol pour former les triacideglycérol qui sont le principales réserves énergétiques de lʼorganisme.

Le métabolisme protéique (métabolisme azoté) est dirigé vers la biosynthèse, mais dans certaines circonstances, il permet parfois la production d'énergie notamment en cas de jeun.

Le catabolisme glucidique - La glycolyse : désigne la voie de dégradation du glucose en acide pyruvique (voie aérobie) ou la dégradation du glucose en acide lactique (voie anaérobie). On a un cas particulier, celui du métabolisme du fructose et du galactose, qui vont rejoindre la voie de la glycolyse.- La glycogénolyse : est la dégradation du glycogène en glucose 6 phosphate, puis en glucose.

On trouve aussi la voie des pentose phosphate dans le catabolisme glucidique, elle a pour but d'apporter des équivalents réducteurs sous forme de NADPH pour la synthèse des acides gras et elle permet aussi la synthèse de riboses.

L'anabolisme glucidique- La néoglucogenèse : formation de glucose à partir de précurseurs non glucidiques.- La glycogénogenèse : formation de glycogène a partie d'oses.

Rappel de thermodynamiqueLes organismes vivants utilisent de l'énergie chimique des différents combustibles pour la synthèse de leurs propres molécules. On dégrade les glucides, les lipides et les acides aminés (les nutriments) sous forme finale de CO2, d'eau et d'énergie => c'est une oxydation.

Exemple du glucoseLa variation d'énergie libre, le ΔG, permet de prédire le sens de la réaction. si la réaction est à l'équilibre, ΔG = 0A + B = C + D, on peut calculer la variation du ΔG (variation d'énergie libre réelle, physiologique) grâce à la relation : ΔG = ΔG0° + RT ln [C][D]/[A][B]R : constante des gaz parfaits T : degrés K ΔG° : variation d'énergie libre dans les conditions standard.En chimie, en condition standard on est à 1 molaire et pH = 0 et T° de 25°C (et à la pression de 1 atm pour les conditions standards)En biochimie, en condition standard on est à : # PH = 7, ou [H+] = 10^-7 mol/L# [H2O] = 55 mol/L# [Mg2+] = 10-3 mol/L# T° = 37°CA l'équilibre la variation d'énergie est nulle on a donc : ΔG°' = - RT ln K'c=> On va pouvoir déterminer le sens de la réaction en fonction de K'c et de ΔG°'- Si K'c = 1, delta G°' = 0 => État d'équilibre.- Si K'c > 1 ΔG°' est négatif => on va dans le sens allé.- Si K'c < 1 ΔG°' est positif => on va dans le sens du retour.(Delta G'° c'est indépendamment des conditions physiologiques).

Ce qui va donner le sens de réaction c'est le Delta G (et non Delta G') qui est la variation d'énergie physiologique réelle car nous sommes jamais dans les conditions standards Delta G0' (Delta G varie en fonction des conditions physiologiques).

Exemple de la transformation du glucose 6 phosphate en fructose 6 phosphate :Cette réaction est catalysée.

Le calcul ne correspond pas tout à fait à ce qui ce passe en réalité car en réalité du fait d'un flux métabolique le fructose 6 phosphate va disparaître au fur et à mesure et le rapport est pas de ½ mais de 1/3. À lʼéquilibre Kʼc = 1/2

On tombe sur une valeur négative.

Notion de couplage pour des réactions endergoniqueL'additivité des variations d'énergie libre va permettre à une réaction dite endergonique d'être entrainer par une réaction dite exergonique. Phénomène à la base de tout le fonctionnement métabolique car la plupart des réactions sont couplées. C'est l'ATP qui est un agent de couplage énergétique dans la biosynthèse. Endergonique = Delta G > 0 / Exegonique = Delta G < 0. Stratégie utilisée pour la synthèse de cellules vivantes (le couplage)

La synthèse du glc-6-P : Lʼadditivité des variations dʼénergie cʼest le phénomène qui est a la base de tout le fonctionnement des voies métaboliques.

- Lorsque ΔG est fortement négatif, la réaction est irréversible.- Lorsque ΔG est fortement positif, la réaction est irréversible.- Lorsque ΔG est proche de 0, on est a l'équilibre.

Les énergies libres standard de l'hydrolyse de quelques composés phosphorylés (ΔG°' en condition standards biochimiques) - l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP en ADP + PI = -30,5 KJ/mol ou -7,3 kcal/mol- l'énergie de l'hydrolyse de l'AMP en adénosine + PI = -14,2 KJ/mol ou -3,3 kcal/mol=> Au dessus de 30 KJ/mol on considère que on a un composé très riche en énergie.

I- Digestion et absorption des glucides

1- La digestion des glucides#Les glucides sont présents dans les aliments. Ce sont la plupart du temps des polysaccharides (amidon et glycogène) ou des disaccharides (saccharose (sucre de table) et lactose).Mais seulement les monosaccharides (oses simples) sont capables de traverser les membranes cellulaires. Donc par ce principe la digestion nécessite une hydrolyse par des enzymes extra-cellulaire pour former des mono saccharides capables de traverser les membranes et notamment la barrière intestinale (cellules de lʼépithélium intestinal).

Hydrolyse de l'amidon et du glycogène :L'alpha amylase est sécrété par les glandes salivaires et le pancréas, cette enzyme permet l'hydrolyse de l'amidon et du glycogène en :- maltose- maltotrioses- dextrines (chaine ramifiées avec ramification alpha 1-6 )- isomaltoses (chaines ramifiées avec ramification alpha 1-6) La digestion se poursuit ensuite au niveau de l'estomac grâce à l'enzyme alpha 1-6 glucosidase intestinale.

2- Absorption des oses simples

Cʼest un phénomène actif.

Une fois dans la circulation sanguine, le glucose, molécule très hydrophile et de petite taille circule librement.

La molécule d'ose va rentrer dans la cellule intestinale (entérocyte) par un mécanisme de transport actif au niveau du pôle apical (qui possède une bordure en brosse) et sortira de cette cellule au niveau du pôle basal par un mécanisme de diffusion facilitée.La membrane cellulaire de l'entérocyte est une bicouche lipidique elle est donc imperméable aux molécules hydrophiles, or les hexoses sont des molécules très hydrophiles. Pour franchir cette membrane on a la nécessité d'avoir des transporteurs de glucose.

Il existe deux familles de transporteurs de glucose : - les SGLT (sodium glucose transporteur) : permet un transport actif du glucose contre un

gradient de concentration. Ce sont des systèmes symports (entrée simultanée de deux composés le Glc et le Na+).

- Les GLUT (glucose transporteur) : permet un transport facilité dans le sens du gradient de concentration. Ce sont des systèmes uniports (une seule molécule transportée).

Pour éviter l'accumulation de sodium dans la cellule, la famille des SGLT est associée à une pompe Na/K ATPase membranaire qui nécessite de l'énergie, on aura une sortie de sodium avec une entrée concomitante de potassium (K+) (cette pompe consomme beaucoup d'énergie). Au niveau du pôle basal, le transporteur de la famille GLUT : GLUT2 pour le glucose de lʼentérocyte vers la circulation sanguine, il a une faible affinité pour celui ci. C'est le même système de rentrée et de sortie pour le galactose.

Mais pour le fructose c'est différent, à la place de SGLT 1, c'est le récepteur GLUT 5 qui permet l'entrée du fructose au niveau de l'entérocyte.

II- La glycolyse (= la dégradation du glucose)

Le Glc une fois dans la circulation n'a pas besoin de transporteur car elle est hydrophile donc circule sans problème dans le système sanguin.

La voie principale d'utilisation du glucose est la voie métabolique permettant la production d'énergie sous forme d'ATP, elle est commune à l'ensemble de cellules qui s'agisse de cellules eucaryotes ou procaryotes c'est la glycolyse. Cʼest une voie cytosoique qui va permettre la production dʼénergie sous forme dʼATP. Elle conduit à la dégradation du glucose 6C en deux molécules d'acide pyruvique 3C. À partir du pyruvate il existe deux orientation métaboliques en fonction de l'état d'oxygénation de la cellule.- En présence d'oxygène, on parle de glycolyse aérobie : le pyruvate qui est produit au

cours de la glycolyse entre dans la mitochondrie pour être le substrat ensuite du cycle de Krebs , la chaine respiratoire va permettre une ré-oxydation de NADH nécessaire pour la glycolyse.

- Lorsque on a peu d'oxygène ou quand il n'y a pas de mitochondries comme dans les globules rouges, on parle de glycolyse anaérobie : le produit final est le lactate (appelé aussi acide lactique).

De façon générale on peut schématiser la glycolyse en deux phases :

- Un phase préparatoire (= phase d'activation) par phosphorylation du glucose, cette phase nécessite de l'énergie au dépend de l'ATP (qui est convertit en ADP)

- Phase de fourniture d'ATP, qui est la phase finale de la glycolyse.

A- Les étapes de la glycolyse#Les 10 étapes de la glycolyse sont cytosoliques

1-Phosphorylation du glucose dés son entrée dans la cellule sur sa fonction alcool primaire par une réaction

Dès que le glucose rentre dans la cellule, il est phosphorylé sur sa fonction alcool primaire par une réaction catalysée par l'hexokinase (ce qui correspond à la première étape de de la glycolyse). Cette réaction permet la formation de glucose 6 phosphate

glucose + ATP = Glc-6-P + ADPHexokinase(irréversible)

Cette réaction a deux intérêt du point de vue de la glycolyse : - Le Glc-6-P ne peut plus traverser des membranes du fait de ses charges négatives

apportées par le groupement phosphate et va donc rester dans la cellule.- Cette phosphorylation va permettre de déstabiliser la molécule de glucose ce qui va favoriser son métabolisme ultérieur #Cette réaction nécessite de l'énergie au dépend de l'ATP.L'hexokinase nécessite du magnésium qui est donc indispensable à l'activité d'une kinase, c'est le Mg (qui a des charges positives) qui masque provisoirement les charges négatives du groupement phosphate ce qui favorise l'attaque nucléophile et le transfert du groupement phosphoryle vers le glucose.On a mis en évidence que l'hexokinase est constitué de deux lobes présentant une cavité, lorsque le glucose se fixe, il rentre dans la cavité qui se referme. La protéine entoure le glucose à l'exception du groupement hydroxyle porté par le C6, c'est cet hydroxyle qui va recevoir le groupement phosphoryle.La variation delta G0' < 0 la réaction est exergonique. C'est une étape irréversible

- L'hexokinase : n'est pas spécifique du glucose, elle peut transférer des groupement phosphoryles sur de nombreux hexoses (comme le mannose par exemple). Elle est peu spécifique mais à une affinité très élevée pour le glucose. Elle peut être inhibé par son produit final le glucose-6-P (courbe hyperbolique)- La glucokinase : très spécifique du glucose, ne peut phosphoryler QUE le glucose, par contre elle a une affinité plus faible que l'hexokinase.L'entrée dans les cellules hépatiques se fait par le GLUT 2 hépatique, qui est associé à la glucokinase hépatique et dans les cellule musculaires par GLUT 4 associée à l'hexokinase musculaire.

Glycémie normale autour de 5 mMolaires. - À 5 mM, le transporteur GLUT 4 fonctionne extrêmement bien, 100% de son activité. Le

Glc rentre dans la cellule musculaire, où il est phosphorylé par lʼhexokinase.- Au niveau hépatique, à 5mM, lʼentrée du glucose dans le foie se fait très mal. Suite à un

repas, la concentration de glucose dans la veine porte (veine reliant intestin ---foie) va augmenter. À haute concentration en glucose dans la veine porte, le transporteur GLUT-2 fonctionne bien. Il rentre proportionnellement à la concentration en glucose au niveau hépatique.

- A la suite d'un repas, les concentrations du glucose dans la veine porte vont augmenter, elles vont monter à des valeurs très élevées jusqu'à 10 à 30 mmol/L sang. Dans ces conditions là GLUT2 fonctionne bien (récepteur spécifique au niveau hépatique) le sucre va rentrer, le glucose va être phosphorylé par la glucokinase.

La régulation de la glucokinase n'est pas régulée par le Glc-6-P comme pour l'hexokinase mais par le Fr-1-P de façon positive et le Fr-6-P de façon négative. La régulation positive de la Fr-1-P se fait par un phénomène de translocation à partir du noyau de la cellule.

Il existe une protéine régulatrice (PR), qui séquestre la glucokinase dans le noyau de l'hépatocyte. Quand la concentration en Fr-1-P augmente, c'est le signal de la prise d'aliment, il se lie à la protéine régulatrice ce qui entraine une libération de la glucokinase qui pourra être libéré dans le cytosol.

La glucokinase ne va donc agir seulement quand il y a du glucose en grande quantité (après un repas). C'est une enzyme qui est au départ de la synthèse du glycogène dans le foie, en phosphorylant le glucose (glucokinase = orientation vers la synthèse de glycogène).La glucokinase est spécifique du foie et des cellules Beta pancréatique des îlots de Langehrens

2- Isomérisation du glucose 6 phosphate en fructose 6 phosphate

On a l'action d'isomérisation pour donner le cétose correspondant qui est le Fr-6-P, c'est le phénomène d'inter-conversion des aldoses en cétose. Cette isomérisation est une réaction réversible.

L'enzyme responsable de cette transformation est la glucose phosphate isomérase (GPI) appelée aussi phosphohexose isomérase. L'enzyme fonctionne en plusieurs étapes, elle ne travaille que sur les formes linéaire on a donc tout d'abord l'ouverture du cycle du Glc-6-P, puis isomérisation des structures linéaire en Fr-6-P. Puis cette enzyme favorise la formation d'un cycle à 5C.

3- Phosphorylation du fructose 6 phosphate#

Fructose 6 phosphate + ATP = Fr-1,6 BP + ADP (2ième molécule dʼATP)PFK1(Irréversible)Bi et pas DI phosphates :- Bi phosphate : 2 groupements mono-phosphate séparés- Di phosphate : 2 groupements mono-phosphate unis par une liaison anhydride.

Réaction irréversible car ΔG0' < 0 réaction hautement exergonique (exothermique) Cette enzyme est catalysée par une enzyme clé dans la glycolyse c'est la PFK1. C'est une enzyme allostérique tétramérique (4 monomères). Elle est l'enzyme centrale qui régule la glycolyse, elle est soumise à une régulation importante.

4- Rupture du Fr-1,6-BP en deux phosphotrioses#

Réaction réversible Le Fr-1,6-BP est clivé en deux unités à 3C qui ont la même formule brute :- Phospho-di-hydroxyl-actétone (PDHA)- 3-Phosphoglycéraldéhyde (3-PGA)

Lʼenzyme permettant cette coupure est appelée aldolase: coupure de la liaison entre les 2 C avec dʼun côté une liaison -OH et de lʼautre une liaison aldéhyde. C'est un clivage aldol, il fait apparaitre à la fois un groupement aldéhyde et un groupement CH2OH. L'enzyme qui permet la coupure est l'aldolase qui agit sur le Fr-1,6-BP. Il y a deux iso-enzymes de l'aldolase : - Aldolase de type A : présente au niveau musculaire, qui agit de façon préférentielle sur le

Fr- 1,6-BP.

- Aldolase de type B : au niveau hépatique, 10 fois moins active, agit plutôt sur le clivage du Fr-1-P. (cf métabolisme du fructose).

# 5- Isomérisation des trioses phosphates

Réaction réversible et rapide, effectuée grâce à la triose-phosphate-isomérase mais du fait de la poursuite de la glycolyse et de la consommation du 3-PGA on a une disparition rapide du 3-PGA ce qui déplace l'équilibre vers la formation du 3-PGA car c'est le seul qui va pouvoir être métabolisé pour la suite de la glycolyse (on a donc un déplacement vers la droite de la réaction).

Fin de la phase préparatoire de la glycolyse. On peut résumer : une molécule de Glc a été scindée en 2 molécules de 3-phosphoglycéraldéhyde. 2 molécules dʼATP ont été investies. Aucune énergie produite à la fin de cette phase préparatoire.

6- Oxydation du 3 phosphoglycéraldéhydes (3 PGA) en 1-3 biphosphoglycérate (1-3 BPG)

La réaction est irréversible. (Delta°ʼ est très bas, -49 kJ/mol).L'enzyme de la réaction est la 3 phosphoglyceraldéhyde désydrogénase (3-GAPDH) 3-PGA + NAD+ + Pi → 1,3-BPG + NADH + H+ (3-GAPDH)Il y a plusieurs étapes : - On a la formation d'un NADH (réduction du NAD+) qui est un co-enzyme. Le site actif de

l'enzyme contient une cystéine, elle contient donc un groupement SH qui va se combiner à la fonction aldéhyde du 3-PGA pour former une liaison de type thio-semi-acétalylique.

- Cette enzyme contient comme co-enzyme le NAD+ qui va se réduire en NADH + H+. La déshydrogénation donne une liaison thioester. C'est l'étape d'oxydation proprement dite. Fonction aldéhydique oxydée. Cette liaison thioester permet la fixation directe d'un acide phosphorique.

- Rupture de cette liaison thioester qui est remplacée par une liaison acylphosphate, très riche en énergie.

On aboutit finalement à la formation du 1,3-BPG.

Du fait de son site SH, cette enzyme est inhibée par le iodoacétamide, et par un poison qui est lʻarséniate.

7- Transfert du 1-3 BPG à l'ADP

On a la synthèse d'une première molécule d'ATP grâce à l'ADP. Réaction catalysé par le phosphoglycérate kinase (PGK). Formation de deux molécules dʼATP pour une molécule de glucose (on part dʼune molécule à 6 C et là toutes les réactions se font avec des molécules à 3C, il faut donc multiplier par 2)

Lʼarséniate est un poison violent, il peut se fixer à la place du groupement phosphate. Formation du 1 arsénio-3-phosphoglycérate, au lieu de la formation du 1,3-BPG. En présence dʼarséniate, on nʼa plus de formation dʼATP, on a oxydation sans fourniture dʼATP = découplage de lʼoxydation et de la phosphorylation, qui entraîne la toxicité de ce composé par lʼabsence de formation dʼATP pendant la glycolyse. On a une oxydation mais sans phosphorylation.

8- Transformation du 3PG en 2PG

C'est une réaction d'isomérisation, c'est un transfert du groupement phosphoryle de la position 3 à la position 2, transfert possible grâce à la phosphoglycérate mutase. Cette réaction nécessite la présence d'un intermédiaire ou co-enzyme en concentration constante, le 2,3 – BPG.

9- Passage du 2PG au PEP#C'est une réaction irréversible.

Formation d'une fonction énol est une réaction d'oxydo-réduction interne à cette molécule, sous l'apparence d'une déshydratation, il va y avoir la formation d'une liaison riche en énergie qui va être récupérer dans la réaction d'après.

Le PEP possède le potentiel d'énergie le plus élevé de l'organisme. L'énolase peut être inhiber par le fluorophosphate car il kidnappe(?) des ions comme de la magnésium.Lʼhydrolyse de la liaison énol-phosphate est très élevée : ΔG°ʻ = - 61,9 kJ/mol.

Cette énolase agit en présence de Mg2+. dʼune double liaison, et dʼune liaison riche en énergie (énol-phosphate), qui va être récupérée dans la réaction suivante.

10- Formation du pyruvate

La formation du pyruvate est catalysée par la pyruvate kinase, c'est une réaction irréversible et fortement exergonique. L'accepteur du groupement phosphoryle du PEP est l'ADP qui va former de l'ATP. Si on considère le glucose à 6C on a l'équivalent de 2 molécules d'ATP formées. Le devenir de ce pyruvate dépend de l'état d'oxygénation de la cellule, en présence d'oxygène le pyruvate se transforme en acétyl-CoA par un complexe qui est le complexe de pyruvate deshydrogénase. L'acétyl-CoA rentrera dans le cycle de Krebs

La formation du lactate (réduction du pyruvate en lactate)

Dans certains tissus, une glycolyse anaérobique est possible : rétine, globules rouges (car il nʼy a pas de mitochondries dans les globules rouges), au niveau du muscle (uniquement si les apports dʼoxygène sont insuffisants par rapport aux besoins. Ce phénomène intervient aussi dans certains microorganismes = fermentation lactiqueEn présence de ce LDH et de NADH, réduction du pyruvate en lactate. Dans certains tissus, réactions anaérobies possiblesIntérêt de la formation de lactate : régénération du NAD+ ce qui permettra à ce que la glycolyse puisse fonctionner même dans des conditions anaérobiques.

Le lactate déshydrogénase est un tétramère, il existe deux type de sous unité :- M d'origine musculaire (muscle = 4 sous unités M)- H, d'origine cardiaque (coeur = 4 sous unités H)

Il existe 5 iso-enzymes, gènes codent ces 2 types de sous-unités, qui peuvent sʼassembler et former un tétramère en fonction de leur concentration.

Il est possible de séparer les 5 iso-enzymes par électrophorèse.

Intérêt de la formation de lactate

Principe de cette formation : régénération du NAD+ de manière à ce que la glycolyse se poursuive même en absence d'oxygène. Pour que la glycolyse continue il faut que NADH soit ré-oxydé en NAD+. Ce lactate une fois produit, sort de la cellule et est ré-oxydé au niveau hépatiqueEn aérobiose, on a un transfert des protons et des électrons vers la mitochondrie, et la régénération va se faire via la mitochondrie, et non pas via la formation de lactate.Mécanisme de régénération du NADH en aérobiose. Cela peut passer par la formation de L-glycérol-3-P.En condition aérobie on peut avoir une régénération du NAD+ par la présence de navette, c'est la formation du L-Glycérol-3-P.

Formation du L glycérol Glycérol-3-P

Le Glycérol 3-P C'est le précurseur de la synthèse des triglycérides,et c'est surtout la constitution d'une navette pour le transport des équivalents réducteurs du NADH cytosolique. Lors de cette étape on a la formation de glycérol-3-P, avec une enzyme, la Glycérol-3-P déshydrogénase, la réaction s'accompagne de la formation de NAD+ à partir de NADH + H+La membrane interne de la mitochondrie est imperméable au passage direct du NAD+. On transfère les équivalents réducteurs via 2 enzymes : glycérol-3-P déshydrogénase de type cytosolique et une glycérol-3-phosphate déshydrogénase présente au niveau de la membrane interne mitochondriale.Régénération du phosphodihydroxyacétone par la glycérol-3-P déshydrogénase mitochondriale, régénération possible par la réduction du coenzyme FAD en FADH2.

Via ces deux 2 isoformes de glycérol-3-P déshydrogénase, on a formation de NAD+et transfert des équivalents réducteurs, les électrons vont passer dans la chaîne respiratoire.

On a un système de navette car le NAD+ ne peut pas franchir la membrane interne de la mitochondrie, on a donc besoin de ce système de navette pour transporter uniquement les équivalents réducteurs.

Il existe une autre navette qui permet l'oxydation du NADH en NAD+ c'est la navette malate / aspartate. Cette navette va impliquer la réduction de l'oxaloacétate en malate dans le cytosol. Cette première réaction est catalysé par la malate déshydrogénase qui va transformer au niveau cytosolique lʼoxaloacétate en malate, avec formation de NAD+.

Le malate rentre ensuite dans la mitochondrie grâce à un transporteur malate-α cétoglutarate. Rentrée de malate dans la mitochondrie et sortie concomitante dʼaspartate.

Le malate au niveau de la matrice mitochondriale va être transformé par une malate déshydrogénase en oxaloacétate (réaction identique à la précédente mais inverse). Le NAD+est transformé en NADH. Lʼoxaloacétate est formé,et est transformé en aspartate par une transaminase (transformation de lʼacide glutamique en α-cétoglutarate). Lʼα-cétoglutarate ressort par le transporteur malate-α-cétoglutarate. Lʼaspartate ressort par un transporteur glutamate-aspartate.

Lʼaspartate donne de lʼoxaloacétate par une transamination et réversible que lʼon a dans la mitochondrie. → transformation du NADH en NAD+.

Le NADH en peut pas traverser directement cette membrane interne, qui est imperméable. Il faut procéder par des équivalents réducteurs.Autre possibilité métabolique pour le pyruvate de produire du NAD+.

Formation de l'éthanol Microorganismes = levure de brasserie, en condition anaérobie est capable de recycler son NAD+ en produisant de l'éthanol. La transformation du pyruvate en éthanol se fait en deux temps : - Le pyruvate va être décarboxylé par la pyruvate décarboxylase grâce à un co-enzyme la

TDP (thiamine di-phosphate B1) pour former l'acétaldéhyde.- la réduction de l'acéthaldéhyde en éthanol par l'alcool déshydrogénase

Ce processus permet de régénérer du NAD+ pour que la glycolyse se poursuive.

Remarque : lʼhomme assure lʼoxydation de cet éthanol via lʼutilisation de deux enzymes successives : lʼalcooldéshydrogénase puis lʼaldéhyde déshydrogénase. Chez lʼhomme, lʼalcool déshydrogénase (ADH) assure lʼoxydation de lʼéthanol dans le foie. Formation dʼacétylCoA.

Voie en dérivation de la glycolyse : Formation du 2-3 BPG dans le globule rouge

Le globule rouge ne contient pas de mitochondrie, donc dans le globule rouge on a de la glycolyse anaérobie. Dans le GR on a la formation du 2,3 BPG, cette molécule se fixe dans la cavité centrale de l'hémoglobine, elle diminue l'affinité de l'hémoglobine, favorisant la forme tendue. Cette molécule est expulsé au moment de l'oxygénation de l'Hb.

Ce composé le GR doit le synthétisé, voici donc le métabolisme :

Le départ sʼeffectue à partir du 1,3-biphosphoglycérate (grâce à la biphosphoglycérate mutase qui catalyse le transfert du groupement phosphate de la position 1 à la position 2). Ce composé peut être re-transformé en 3-phosphoglycérate, grâce à ce même complexe enzymatique qui est aussi une phosphatase (enzyme bi fonctionnelle). Transformation de 3-phosphoglycérate.

On appelle Shunt de Rapport ( = court-circuit ) : la synthèse de ce composé et le retour à la voie de la glycolyse se traduit par lʼabsence de production dʼATP. Cette réaction nʼa aucun intérêt sur le plan énergétique (ne produit pas dʼATP). Mais cette réaction a un intérêt au niveau de la synthèse de ce composé très important pour le globule rouge, synthèse régulée pour produire ce 2,3-BPG qui est synthétisé en concentration à peu près équivalente au nombre de molécules dʼHb.

B- Bilan énergétique de la glycolyse en anaérobie

Dans la phase préparatoire,on a la consommation d'un ATP par l'hexokinase puis dans un deuxième temps, consommation d'un deuxième ATP par la PFK1, donc à la fin de la phase préparatoire on est à -2 molécules d'ATP.Formation dʼune molécule dʼATP au niveau de lʼétape catalysée par la PGK( multipliée par 2). 2ièmeformation dʼATP au niveau de lʼétape catalysée par la pyruvate kinase (2 molécules formées dʼATP).(il faut multiplier par 2, car on est sur des structures à 3 C et on est parti du glucose : 6 C)→ bilan global énergétique : + 2 ATP (en anaérobiose)

Glc + 2 ADP + 2 Pi → 2 lactate + 2 ATP

C- La régulation de la glycolyse.

Introduction

La glycolyse a 2 rôle principaux :- Production d'énergie sous forme d'ATP- Fonction anabolique, avec la fourniture d'acétyl-Coa nécessaire aux différentes synthèses.

La régulation de la glycolyse est fonction de la charge énergétique de la cellule c'est à dire le rapport ATP/ADP, d'autre part la régulation est fonction de l'abondance des composés pour la biosynthèse.

La glycolyse est régulée au niveau de 3 enzymes qui catalysent des réactions irréversibles : - L'hexokinase (phosphorylation du glucose)- PFK1 (fortement régulée) - La pyruvate kinase (produit directement l'acide pyruvique à partir du phospho-énol pyruvate). #

De manière générale on a deux types de régulations : - Régulation allostérique : régulation au niveau de chaque cellule, chaque cellule peut être régulée de façon autonome grâce à la concentration de substance qui vont témoigner de l'abondance ou non d'ATP (ou de différentes molécules énergétiques).- Régulation hormonale : on se situe à l'échelle des organes, on va voir que le foie joue un

rôle particulier dans ces régulations hormonales

Capacité de régulation des organes. Le foie joue un role important dans cette régulation car il a la fonction dʼassurer la fourniture des glucoses pour les autres organes notamment les muscles et du cerveau.

1- Régulation de la PFK-1 (phosphofructokinase1)

Régulation allostérique :

Elle est contrôlée essentiellement par l'ATP qui dans cette réaction est à la fois le substrat et à la fois l'effecteur allostérique négatif.

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Introduction:La glycolyse a 2 rôles principaux:

P d ti d’é i f d’ATP

III - LA REGULATION DE LA GLYCOLYSE

- Production d’énergie sous forme d’ATP

-Fonction anabolique: fourniture d’AcCoA

La régulation va donc être fonction de la charge énergétique de la cellule ( rapport ATP/ADP) et de l’abondance des composés pour la biosynthèse

1°- Régulation de la PFK-1a) régulation allostérique

b) régulation hormonale ou par phosphorylation

2°- Régulation de l’hexokinase

3°- Régulation par la PK

Contrôle de la PFKContrôle de la PFK--1 par l1 par l ’ATP’ATP

VVitessePFK-1

ATP faibleV

[Fr-6-P]

ATP élevé

[ATP]




3° Régulation par la PK3°- Régulation par la PKIsoformes

PK-L

a) régulation allostérique

b) régulation hormonale

O CH2OH

5 2

4 3

O3POCH2 16

2-

OPO32-

OH

Fructose 2,6Fructose 2,6--bisphosphatebisphosphate

= activateur de la PFK

OH

Régulation de la Régulation de la PFKPFK--11

100

0,1 M60

80

1 M Fr-2,6-BP100

0,1 M60

80

1 M Fr-2,6-BP

20

1 2 3FructoseFructose--66--phosphate (mM)phosphate (mM)

4

40

5

0 M

20

1 2 3ATP (mM)ATP (mM)

4

40

5

0

10












VVitessePFK-1

ATP faibleV

[Fr-6-P]

ATP élevé

[ATP]





PK-L



O CH2OH

5 2

4 3

O3POCH2 16

2-

OPO32-

OH



OH


100

0,1 M60

80

1 M Fr-2,6-BP100

0,1 M60

80

1 M Fr-2,6-BP

20


4

40

5

0 M

20


4

40

5

0

Schéma à droite : activité de lʼenzyme en fonction de la concentration en ATP. Après une montée assez rapide, car lʼATP est le substrat, on voit que la vitesse sur la deuxième partie de la courbe va diminuer. Diminution due à lʼeffet effecteur allostérique négatif. La vitesse diminue ce qui est due a cette effet allostérique négatif, l'ATP diminue l'affinité de l'enzyme pour le glucose 6 phosphate.

10












VVitessePFK-1

ATP faibleV

[Fr-6-P]

ATP élevé

[ATP]





PK-L



O CH2OH

5 2

4 3

O3POCH2 16

2-

OPO32-

OH



OH


100

0,1 M60

80

1 M Fr-2,6-BP100

0,1 M60

80

1 M Fr-2,6-BP

20


4

40

5

0 M

20


4

40

5

0

Une concentration élevée en ATP, qui correspond a un niveau énergétique élevé, transforme cette courbe hyperbolique en une courbe de nature sigmoïde. LʼATP va se lier a un site catalytique distinct de lʼenzyme.

Le citrate a un rôle allostérique négatif. L'AMP va avoir un effet opposé puisqu'elle actif l'enzyme PFK1, l'AMP s'élève quand on a un niveau énergétique faible. D'ou l'importance du rapport ATP / AMP quand ce rapport s'effondre, l'activité de PFK1 va augmenter. Une concentration élevée en citrate signifie que les précurseurs de la biosynthèse sont importants et donc que le glucose nʼa pas besoin dʼetre dégradé.

La glycolyse est stimulée par une chute de la charge énergétique

La régulation hormonale : régulation par phosphorylation

L'élément le plus important est le Fr-6-BP qui est un activateur très puissant de la PFK1, ce n'est pas un intermédiaire de la glycolyse mais c'est un régulateur.

11

Formation du Fr-2,6-BP

Fr-6-P + ATP Fr-2,6-BP + ADPPFK-2

Hydrolyse du Fr-2,6-BP

Fr-2,6-BP + H2O Fr-6-P + PiFructose bisphosphatase-2 ou FBPase-2

Enzyme bifonctionnelle :Enzyme bifonctionnelle :

Les activités PFK-2 et FBPase-2 sont contrôlées par phosphorylation et déphosphorylation

PFKPFK--2 /2 /FBPaseFBPase--2 2

D. kinasique D. phosphatasiqueNH3+ COO-

Domaine régulateur

FructoseFructose--66--phosphatephosphate

Pi

-P

K

P

AMPc

Glucagon

Protéine kinase A2 ATPMg 2 ADPMg

ATPMg


P

Contrôle de la synthèse et de la dégradation du fructoseContrôle de la synthèse et de la dégradation du fructose--2,62,6--bisphosphate dans le foiebisphosphate dans le foie

FructoseFructose--2,62,6--bisphosphatebisphosphate

H2O

PK

FBPase -2b PFK-2bFBPase -2a

ProtéinePhosphatase 2A 2 H2O2 Pi


ADPMg

PFK-2a

Glycogène

Glc-6-PGlc Voie desPentose-phosphates

Fr-6-P

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

50

100Hexokinase (muscle)

hory

latio

n


0,1 5 10 20HK sang GK

[glc] mM

Phos

ph

Glycogène


Fr-6-P

Hexokinase

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

11









Domaine régulateur


Pi

-P

K

P

AMPc

Glucagon


ATPMg


P



H2O

PK




ADPMg

PFK-2a

Glycogène


Fr-6-P

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

50


hory

latio

n


0,1 5 10 20HK sang GK

[glc] mM

Phos

ph

Glycogène


Fr-6-P

Hexokinase

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

Courbe de la vitesse de réaction en fonction du Fr-6-P (activité enzymatique de la PFK-1) :En présence de Fr-2,6-BP (activateur) → forme hyperbolique (concentration à 1 molaire de Fr-2,6-BP).En fonction de la concentration en ATP (effet inhibiteur de lʼATP) : lorsquʼon rajoute du Fr-2,6-BP, lʼinhibition décrite quelques lignes + haut, inhibition de lʼATP, est levée par cet activateur très puissant quʼest le Fr-2,6-BP. La concentration de cet activateur est très régulée : dépend dʼun équilibre entre la vitesse de synthèse du Fr-2,6-BP et la vitesse de dégradation du Fr-2,6-BP.Formation du Fr-2,6-BP : Fr-6-P + ATP → Fr-2,6-BP + ADP, réaction de synthèse de lʼactivateur possible grâce à lʼenzyme PFK-2Réaction inverse, de dégradation du Fr-2,6-BP, qui est une hydrolyse : Fr-2,6-BP + H2O → Fr-6-P + Pi (grâce à la fructose biphosphatase-2 ou Fr-BPase-2)

Ces deux activités enzymatiques sont en fait localisée sur la même protéine, mais dans 2 domaines distincts → enzyme bi-fonctionnelle. Activités enzymatiques situés sur un domaine kinasique (rajoute des groupements phosphate) et sur un domaine phosphatasique (qui enlève des groupements phosphate)Cette enzyme possède aussi un domaine régulateur qui conditionne les activités soit vers activité kinasique, soit activité phosphatasique.

Activités de phosphorylation/ déphosphorylation conditionnent cette enzyme bi-fonctionnelle :

Ici est représentée lʼactivité de cette PFK-2, qui transforme soit le Fr-2,6-BP en Fr-6-P (activité phosphatase) soit à lʼinverse transformer le Fr-6-P en Fr-2,6-BP (activité kinasique). - La phosphorylation de cette enzyme provoque lʼinhibition de lʼactivité kinasique et une

activation de lʼactivité phosphatasique.- Inverse pour la déphosphorylation : quand cette enzyme bifonctionnelle quʼest la PFK-2

est déphosphorylée, on a une activité kinasique préférentielle, et une activité phosphatasique inhibée.

11









Domaine régulateur


Pi

-P

K

P

AMPc

Glucagon


ATPMg


P



H2O

PK




ADPMg

PFK-2a

Glycogène


Fr-6-P

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

50


hory

latio

n


0,1 5 10 20HK sang GK

[glc] mM

Phos

ph

Glycogène


Fr-6-P

Hexokinase

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

Enzyme bi-fonctionnelle, les activités enzymatiques sont situées sur deux domaines - un domaine kinasique- un domaine phosphatasique- + un domaine régulateur qui conditionne les activités

Ce système est contrôlé par régulation hormonale :

Le glucagon est une hormone synthétisée par les cellules alphadu pancréas. Quand le Glc est rare, quand la glycémie est basse, synthèse de glucagon, qui active une cascade dʼAMPc, qui va, lorsquʼon a une forte concentration en AMPc, activer une PKA (protéine kinase A), qui est responsable de la phosphorylation de la PFK-2. On sʼoriente vers la formation phosphorylée.Cela se traduit par une diminution de la synthèse du Fr-2,6-BP. Baisse de Fr-2,6-BP. On a donc finalement une baisse de lʼactivateur, donc on inhibe la PFK-1 → inhibition de la glycolyse.Système hormonal inverse, insuline, phosphatases qui enlèvent les groupements phosphate et favoriser lʼactivité kinasique de la PFK-2 donc augmenter lʼactivateur du Fr-2,6-BP → favoriser la glycolyse. (glycémie élevée, insuline, favorisation de la glycolyse)PFK-1 : régulatrice principale, enzyme clé de la régulation de la glycolyse.Cʼest la 1èreréaction tout à fait spécifique de la glycolyse (raison pour laquelle cʻest la principale régulatrice), étape dʼengagement : passage du Fr-6-P en Fr-1,6-BP (réaction irréversible).

11









Domaine régulateur


Pi

-P

K

P

AMPc

Glucagon


ATPMg


P



H2O

PK




ADPMg

PFK-2a

Glycogène


Fr-6-P

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

50


hory

latio

n


0,1 5 10 20HK sang GK

[glc] mM

Phos

ph

Glycogène


Fr-6-P

Hexokinase

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

Le Glc-6-P est bien sûr dans la voie métabolique de la glycolyse, mais intervient aussi dans dʼautres voies métaboliques : synthèse de glycogène, voie des pentose-phosphates (autre voie dʻoxydation), nʼest pas spécifique de la glycolyse.

2- Régulation de l'hexokinase

11









Domaine régulateur


Pi

-P

K

P

AMPc

Glucagon


ATPMg


P



H2O

PK




ADPMg

PFK-2a

Glycogène


Fr-6-P

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

50


hory

latio

n


0,1 5 10 20HK sang GK

[glc] mM

Phos

ph

Glycogène


Fr-6-P

Hexokinase

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

11









Domaine régulateur


Pi

-P

K

P

AMPc

Glucagon


ATPMg


P



H2O

PK




ADPMg

PFK-2a

Glycogène


Fr-6-P

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

50


hory

latio

n


0,1 5 10 20HK sang GK

[glc] mM

Phos

ph

Glycogène


Fr-6-P

Hexokinase

Fr-1,6-BP

Glycolyse

EngagementPFK-1

L'hexokinase a une forte affinité pour le Glc (pour lʼhexokinase musculaire, alors que la glucokinase (foie) a une affinité beaucoup + faible. Lʼhexokinase est inhibée par son produit : le Glc-6-P, qui inhibe lʼhexokinase.Quand la voie PFK-1 est inhibée, accumulation en amont des substrats, c-à-d Fr-6-P et aussi le Glc-6-P. cette accumulation de Glc-6-P entraîne un blocage de lʼhexokinase. Lʼaction de lʼinhibition de la PFK-1 va donc aussi bloquer lʼhexokinase, par augmentation du Glc-6-P.Si Glc très abondant → blocage de cette voie.On pourrait penser que le Glc va sʼaccumuler puisque non phosphorylé par lʼhexokinase.

Au niveau hépatique : ce nʼest pas le cas, car si la concentration est élevée en glucose, cʼest la glucokinase qui prend le relais, car elle nʼest pas inhibée par le Glc-6-P. glucokinase ne phosphoryle le glucose que lorsquʼil est en forte concentration, très élevé en concentration. Cela produit du Glc-6-P.

La voie de la glycolyse nʼest pas empruntée puisque la PFK-1 est inhibée, mais cʼest la voie de èse du glycogène qui est privilégiée. Rôle de la glucokinase : apporter du Glc-6-P pour la synthèse du glycogène. (glycogène = forme de mise en réserve de lʼénergie)Glucokinase exprimée assez spécifiquement au niveau hépatique et au niveau des cellules Beta du pancréas, de Langherans. Permet la régulation de la synthèse de lʼinsuline.

3- Régulation par la PK (pyruvate kinase)

12


4 Isoformes: M1, M2, R et L

Régulation de la PK-L:

a) régulation allostériquea) régulation allostérique


Contrôle de lContrôle de l ’activité de la PK’activité de la PK--LL

active

PK- PH2O

Pi PK

ADP

Protéine kinase A(AMPc dépendante)

ATP

Contrôlehormonal

activePEP + ADP Pyruvate + ATP

Fr-1,6-BPATPAlanineAcétyl CoA

Contrôlemétabolique

Rôle de la phosphorylation par la PKA pour PFK-2 et PK-L

=> limiter la consommation de glucose dans le foie pour que ce dernier soit disponible aux autres tissus. p

IV- Glycolyse et Pathologie

1° - Tumeurs cancéreuses:de la capture du glucose de la vitesse de la glycolyse

L’hypoxie au sein de la masse tumorale induit le facteur de transcription HIF-1

* l’expression des transporteurs du glucose• des facteurs angiogéniques

IV- Glycolyse et Pathologie

1° - Tumeurs cancéreuses (suite):

Traceur de cette activité métabolique intense un dérivé du glucose (18F-fluoro-désoxyglucose ou FDG)

localiser les foyers tumoraux actifs

=> caméra tomographique détecte l’émission de positons provenant de la tumeur qui a fixé fortement le FDG.

Appareil = (PET-Scan)

IV - Glycolyse et Pathologie (suite)

2° - Enzymopathies de la glycolyse:Majoritairement au niveau de la PK

*Le GR ne possède pas de mitochondries: son approvisionnement en ATP dépend uniquement de la glycolyse.

*Si activité PK faible, glycolyse faible, production insuffisante d’ATP: Anémie hémolytique

La pyruvate kinase contrôle la troisième étape irréversible de la glycolyse. C'est une enzyme qui existe sous 4 isoformes :- M1- M2- R (globules rouges)- L (hépatique)23min vérif

Régulation de la PK-L : 2 types de régulation :

Régulation allostériqueLe contrôle métabolique de cette enzyme au niveau hépatique : ATP, qui peut entraîner une inhibition allostérique, on ralentit la voie métabolique glycolyse lorsque la charge énergétique est élevée. Alanine est aussi un inhibiteur allostérique. Ala dérive très facilement de lʼacide pyruvique par transamination. Ala est capable de capable de bloquer cette activité PK-L.LʼacétylCoA, témoin de charges énergétiques est aussi inhibiteur.À lʼinverse, le Fr-1,6-BP est activateur.

Régulation hormonaleMêmes types de contrôle hormonaux. La PKA dépend de lʼAMPc, va phosphoryler et rendre inactive (a vérifier) lʼactivité pyruvate kinase. Rôle de la phosphorylation par la PKA pour PFK-2 et PK-L limiter la consommation de Glc dans le foie de manière à ce que celui-ci soit disponible pour les autres tissus.

D- Glycolyse et pathologies associées

1- Tumeurs cancéreuses

Elles ont la propriété d'avoir une augmentation de la capture du glucose et une augmentation de la vitesse de la glycolyse.

Les cellules cancéreuses vont pousser plus vite que les vaisseaux sanguins, les vaisseaux ne peuvent plus nourrir cette cellule car elles poussent trop vite, ces cellules manqueront donc d'oxygène et on aura une hypoxie au niveau de la masse tumorale.

Cette hypoxie induit la sécrétion d'un facteur de transcription HIF1, ce FT va induire deux mécanismes : - Augmenter l'expression des transporteurs du glucose et de la plupart des enzymes de la

glycolyse.- Active des facteurs angiogéniques pour la croissance des néo-vaisseaux et ainsi

permettre à la tumeur de se vasculariser et de continuer à grossir.

Cette différence de capture et de synthèse de la glycolyse beaucoup + importante dans la tumeur sert de base à un principe de diagnostic des tumeurs.

On utilise comme marqueur de cette activité métabolique intense un dérivé du glucose, le FDG (fluoro-désoxyglucose). Intérêt que ce soit un dérivé du Glc, peut donc rentrer dans la glycolyse, il est radio-marqué par un atome de fluor, ce qui permet de le tracer par radiographie et par caméra. Il est capable de détecter lʼémission de positon, la tumeur ayant fixé ce dérivé on va donc visualiser des tumeurs par ce principe.

Ce principe donne ce traceur métabolique, ce qui permet de localiser les foyers de fixation du Glc, foyers tumoraux-actifs (va faire des images). Du fait de lʼatome de fluor marqué, on a émission de positons détectés par une caméra tomographique, qui permet le diagnostic de certaines tumeurs.(Appareil : PET-Scan, que lʻon trouve dans les services de médecine nucléaire. Appareil assez coûteux.)

2- Enzymopathie de la glycolyse

On peut avoir des anomalies des enzymes de la glycolyse qui sont majoritairement au niveau de la pyruvate kinase. C'est la 2e forme la plus fréquente d'enzymopathie qui conduit à une anémie hémolytique après le déficit en glucose-6-P déshydrogénase. Globules rouges touchés de façon prioritaire (ne contiennent pas de mitochondries, donc leur approvisionnement énergétique dépend uniquement de lʼATP).Si on a une activité PK faible, on a un certain retentissement très rapidement visible : production insuffisante dʼATP → anémie hémolytique. Les globules rouges sont plus fragiles, nʼont pas suffisamment dʼATP, carence en énergie → destruction des globules rouges.# → fréquente dans le monde dʼenzymopathie. (autre enzymopathie : déficit en Glc-6-P déshydrogénase (cf voie des pentose-phosphates))Cette carence en PK est moins fréquente que le déficit en Glc-6-P déshydrogénase, mais elle est néanmoins importante.

On peut aussi avoir des mutations au niveau de la glucokinase :

Ce déficit en glucokinase se traduit par une forme de diabète, le diabète MODY. Plusieurs formes de diabète MODY. La forme la plus connue : forme MODY de type 2. Baisse de la vitesse de phosphorylation du Glc au niveau hépatique. → synthèse de glycogène diminuée et néo-glucogénèse augmentée (synthèse de glucose), ce qui explique lʼhyperglycémie. (formes de diabète touchant les jeunes)

catabolisme glucidique introduction sont...

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