Catabolisme glucidique. Introduction

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1 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.

2 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 NADH 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 thermodynamique Les 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 glucose La variation d'énergie libre, le ΔG, permet de prédire le sens de la réaction. si la réaction est à l'équilibre, ΔG = 0 A + 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 : # H = 7, ou [H + ] = 10^-7 mol/l # [H2O] = 55 mol/l # [Mg2+] = 10-3 mol/l # T = 37 C A 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).

3 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 endergonique L'additivité des variations d'énergie libre va permettre à une réaction dite endergonique d'être entrainer par une réaction dite exergonique. hénomène à la base de tout le fonctionnement métabolique car la plupart des réactions sont couplées. C'est l'at 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- : Lʼadditivité des variations dʼénergie cʼest le phénomène qui est a la base de tout le fonctionnement des voies métaboliques.

4 - 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'at en AD + I = -30,5 KJ/mol ou -7,3 kcal/mol - l'énergie de l'hydrolyse de l'am en adénosine + I = -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.

5 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.

6 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. our 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). our éviter l'accumulation de sodium dans la cellule, la famille des SGLT est associée à une pompe Na/K ATase 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.

7 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'at, 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 dʼat. 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'at (qui est convertit en AD) - hase de fourniture d'at, qui est la phase finale de la glycolyse.

8 A- Les étapes de la glycolyse # Les 10 étapes de la glycolyse sont cytosoliques 1-hosphorylation 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 + AT = Glc-6- + AD Hexokinase (irréversible) Cette réaction a deux intérêt du point de vue de la glycolyse : - Le Glc-6- 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'at. 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

9 - 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- (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- comme pour l'hexokinase mais par le Fr-1- de façon positive et le Fr-6- de façon négative. La régulation positive de la Fr-1- se fait par un phénomène de translocation à partir du noyau de la cellule.

10 Il existe une protéine régulatrice (R), qui séquestre la glucokinase dans le noyau de l'hépatocyte. Quand la concentration en Fr-1- 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-, 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 (GI) 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-, puis isomérisation des structures linéaire en Fr-6-. uis cette enzyme favorise la formation d'un cycle à 5C.

11 3- hosphorylation du fructose 6 phosphate # Fructose 6 phosphate + AT = Fr-1,6 B + AD (2ième molécule dʼat) FK1 (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 FK1. 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-B en deux phosphotrioses Réaction réversible Le Fr-1,6-B est clivé en deux unités à 3C qui ont la même formule brute : - hospho-di-hydroxyl-actétone (DHA) - 3-hosphoglycéraldéhyde (3-GA) 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-B. Il y a deux isoenzymes de l'aldolase : - Aldolase de type A : présente au niveau musculaire, qui agit de façon préférentielle sur le Fr- 1,6-B.

12 - Aldolase de type B : au niveau hépatique, 10 fois moins active, agit plutôt sur le clivage du Fr-1-. (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-GA on a une disparition rapide du 3-GA ce qui déplace l'équilibre vers la formation du 3-GA 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 dʼat ont été investies. Aucune énergie produite à la fin de cette phase préparatoire. 6- Oxydation du 3 phosphoglycéraldéhydes (3 GA) en 1-3 biphosphoglycérate (1-3 BG) La réaction est irréversible. (Delta ʼ est très bas, -49 kj/mol). L'enzyme de la réaction est la 3 phosphoglyceraldéhyde désydrogénase (3-GADH) 3-GA + NAD + + i 1,3-BG + NADH + H + (3-GADH) 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-GA pour former une liaison de type thio-semiacétalylique. - 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-BG.

13 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 BG à l'ad On a la synthèse d'une première molécule d'at grâce à l'ad. Réaction catalysé par le phosphoglycérate kinase (GK). Formation de deux molécules dʼat 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)

14 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-BG. En présence dʼarséniate, on nʼa plus de formation dʼat, on a oxydation sans fourniture dʼat = découplage de lʼoxydation et de la phosphorylation, qui entraîne la toxicité de ce composé par lʼabsence de formation dʼat pendant la glycolyse. On a une oxydation mais sans phosphorylation. 8- Transformation du 3G en 2G 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 BG. 9- assage du 2G au E # 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 E 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 Mg 2+. dʼune double liaison, et dʼune liaison riche en énergie (énol-phosphate), qui va être récupérée dans la réaction suivante.

15 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 E est l'ad qui va former de l'at. Si on considère le glucose à 6C on a l'équivalent de 2 molécules d'at 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 lactique En présence de ce LDH et de NADH, réduction du pyruvate en lactate. Dans certains tissus, réactions anaérobies possibles Intérêt 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.

16 Il est possible de séparer les 5 iso-enzymes par électrophorèse. Intérêt de la formation de lactate rincipe de cette formation : régénération du NAD+ de manière à ce que la glycolyse se poursuive même en absence d'oxygène. our 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 hépatique En 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-. En condition aérobie on peut avoir une régénération du NAD+ par la présence de navette, c'est la formation du L-Glycérol-3-. Formation du L glycérol Glycérol-3- Le Glycérol 3- 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-, avec une enzyme, la Glycérol-3- 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- 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- déshydrogénase mitochondriale, régénération possible par la réduction du coenzyme FAD en FADH 2. Via ces deux 2 isoformes de glycérol-3- déshydrogénase, on a formation de NAD + et transfert des équivalents réducteurs, les électrons vont passer dans la chaîne respiratoire.

17 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). Lʼαcétoglutarate 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 +.

18 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 TD (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 BG dans le globule rouge

19 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 BG, 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 dʼat. Cette réaction nʼa aucun intérêt sur le plan énergétique (ne produit pas dʼat). 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-BG 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 AT par l'hexokinase puis dans un deuxième temps, consommation d'un deuxième AT par la FK1, donc à la fin de la phase préparatoire on est à -2 molécules d'at. Formation dʼune molécule dʼat au niveau de lʼétape catalysée par la GK( multipliée par 2). 2 ième formation dʼat au niveau de lʼétape catalysée par la pyruvate kinase (2 molécules formées dʼat). (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 AT (en anaérobiose) Glc + 2 AD + 2 i 2 lactate + 2 AT

20 C- La régulation de la glycolyse. Introduction La glycolyse a 2 rôle principaux : - roduction d'énergie sous forme d'at - 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 AT/AD, 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) - FK1 (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'at (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 FK-1 (phosphofructokinase1) Régulation allostérique :

21 FK Régulation AT par élevé la K 3 - Régulation par la K Isoformes K-L Elle est [Fr-6-] contrôlée essentiellement par l'at [AT] qui dans cette réaction est à la a) fois régulation le substrat allostérique et à la fois l'effecteur allostérique négatif. b) régulation hormonale V Vitesse FK-1 Contrôle de la FK-1 par l AT AT faible AT élevé 1 - Régulation de la FK-1 a) régulation [Fr-6-] allostérique b) régulation hormonale ou par phosphorylation 2 - Régulation de l hexokinase 3 - Régulation 6 par la K 2 - O O 3 OCH 2 CH 2 OH Isoformes 1 K-L 5 2 OH a) régulation allostérique 4 3 OO 2-3 b) régulation hormonale OH V [AT] 1 - Régulation de la FK-1 a) régulation allostérique b) régulation hormonale ou par ph 2 - Régulation de l hexokinase 3 - Régulation par la K Isoformes K-L a) régulation allostérique b) régulation Régulation hormonale de la 0,1 M 1 M Fr-2,6-B 0 M 20 Fructose 2,6-bisphosphate Régulation de la = activateur de la FK Fructose-6-phosphate (mm) Schéma à droite : 1 M Fr-2,6-B 6activité de 2 - O lʼenzyme en fonction de la concentration 100en AT. Après une 100 montée assez O 3 OCH rapide, 2 car lʼat est CH 2 OH 1 le substrat, on voit que la vitesse sur la deuxième partie de la courbe va diminuer. Diminution due à lʼeffet effecteur allostérique négatif. 2 La vitesse diminue ce qui est due OH a cette effet allostérique négatif, l'at diminue 0,1 M l'affinité 4 3 OO de l'enzyme pour le glucose 6 phosphate OH Régulation de la FK-1 Fructose 2,6-bisphosphate 1 M Fr-2,6-B = activateur de la FK 100 0,1 M M Fr-2,6-B 0,1 M M Fructose-6-phosphate (mm) M Fructose-6-phosphate (mm) AT (mm) 5

22 -B Enzyme bifonctionnelle : Fr-2,6-B + AD FK-2 Une concentration élevée en AT, qui correspond FK-2 a /FBase FBase-2 un niveau énergétique élevé, -B transforme cette courbe hyperbolique en une courbe de nature sigmoïde. LʼAT va se lier NH + 3 D. kinasique D. phosphatasique COO a un site catalytique distinct de lʼenzyme. - 2O Fr-6- + i osphatase-2 ou FBase-2 Le citrate a un rôle allostérique négatif. Domaine L'AM régulateur va avoir un effet opposé puisqu'elle actif l'enzyme FK1, l'am s'élève quand on a un niveau énergétique faible. D'ou l'importance du rapport AT / AM quand ce rapport s'effondre, l'activité de FK1 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. Glucagon 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-B qui est un activateur très puissant de la FK1, ce n'est pas un intermédiaire de la glycolyse mais c'est un régulateur. AMc Fructose-6-phosphate Formation du Fr-2,6-B 2 ADMg rotéine kinase A i Fr-6- + AT Fr-2,6-B + AD FK-2 - rotéine hosphatase 2A Hydrolyse du Fr-2,6-B FK-2b Fr-2,6-B + H 2 O Fr-6- + i FBase -2a Fructose bisphosphatase-2 ou FBase-2 2 H 2O H 2O Fructose-2,6-bisphosphate radation du fructose-2,6-bisphosphate dans le foie Les activités FK-2 et FBase-2 sont contrôlées par phosphorylation et déphosphorylation Glc FK-1 Glycogène Glc-6- Fr-6- Fr-1,6-B Glycolyse Enzyme bifonctionnelle : Les Voie activités des FK-2 et FBase-2 sont contrôlées entose-phosphates par phosphorylation et déphosphorylation Engagement NH + 3 Domaine régulateur FK-2 /FBase FBase-2 D. kinasique D. phospha Courbe de la vitesse de réaction en fonction du Fr-6- (activité enzymatique de la FK-1) : En présence de Fr-2,6-B (activateur) forme hyperbolique (concentration à 1 molaire de Fr-2,6-B). En fonction de la concentration en AT (effet inhibiteur de lʼat) : lorsquʼon rajoute du Fr-2,6-B, lʼinhibition décrite quelques lignes + haut, inhibition de lʼat, est levée par cet activateur très puissant quʼest le Fr-2,6-B. La concentration de cet activateur est très régulée : dépend dʼun équilibre entre la vitesse de synthèse du Fr-2,6-B et la vitesse de dégradation du Fr-2,6-B. l hexokinase Formation du Fr-2,6-B : Fr-6- + AT Fr-2,6-B Glucagon Glycogène + AD, réaction de synthèse de lʼactivateur possible grâce à lʼenzyme FK-2 Fructose-6-phosphate AMc Glycogène Réaction inverse, de dégradation du Fructose-6-phosphate Fr-2,6-B, qui est une hydrolyse : Fr-2,6-B + H2O exokinase (muscle) ATMg 2 ATMg rotéine kinase A 2 ADMg Glci Glc-6- Voie des Fr-6- + i (grâce à la fructose biphosphatase-2 Hexokinase ou Fr-Base-2) entose-phosphates Glc Glc-6- Vo e Ces deux activités enzymatiques sont en fait localisée Fr-6- sur la même protéine, mais dans 2 domaines distincts enzyme bi-fonctionnelle. K -FK-1 Activités enzymatiques Engagement situés sur un Fr-6- domaine kinasique (rajoute des groupements phosphate) et sur un domaine K 10 phosphatasique 20 Fr-1,6-B FK-1 Engagem [glc] mm(qui enlève des groupements phosphate) g GK Cette enzyme FK-2apossède aussi un FK-2b domaine régulateur qui conditionne les activités soit FBase -2b Fr-1,6-B vers FBase -2a activité kinasique, soit activité phosphatasique. Glycolyse rotéine ADMg 2 i 2 H H hosphatase 2A 2O 2O Activités Fructose-2,6-bisphosphate de phosphorylation/ Fructose-2,6 déphosphorylation 2,6-bisphosphate conditionnent cette enzyme Glycolyse bifonctionnelle : Contrôle de la synthèse et de la dégradation du fructose-2,6-bisphosphate dans le foie

23 Ici est représentée lʼactivité de cette FK-2, qui transforme soit le Fr-2,6-B en Fr-6- (activité phosphatase) soit à lʼinverse transformer le Fr-6- en Fr-2,6-B (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 FK-2 est déphosphorylée, on a une activité kinasique préférentielle, et une activité phosphatasique inhibée. Enzyme bifonctionnelle : Les activités FK-2 et FBase-2 sont contrôlées par phosphorylation et déphosphorylation FK-2 /FBase FBase-2 NH 3 + D. kinasique D. phosphatasique COO - Domaine régulateur 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 dʼamc, qui va, lorsquʼon a une forte concentration en AMc, activer une KA (protéine kinase A), qui est responsable de la phosphorylation de la FK-2. On sʼoriente vers la Glycogène formation phosphorylée. Cela se traduit par une diminution de la synthèse du Fr-2,6-B. Baisse de Fr-2,6-B. On a donc finalement Glc une Glc-6- baisse de lʼactivateur, Voie des donc on inhibe la FK-1 inhibition de la entose-phosphates glycolyse. Système hormonal inverse, insuline, phosphatases qui enlèvent les groupements Fr-6- phosphate et favoriser lʼactivité kinasique de la FK-2 donc augmenter lʼactivateur du Fr-2,6-B favoriser FK-1 la glycolyse. Engagement (glycémie élevée, insuline, favorisation de la glycolyse) FK-1 : régulatrice principale, Fr-1,6-B enzyme clé de la régulation de la glycolyse. Cʼest la 1 ère réaction tout à fait spécifique de la glycolyse (raison pour laquelle cʻest la principale régulatrice), étape dʼengagement : passage du Fr-6- en Fr-1,6-B (réaction irréversible). Glycolyse Glycogène

24 Glucagon Glucagon Fructose-6-phosphate AMc Fructose-6-phosphate Fructose-6-phosphate Fructose-6-phosphate Glycogène AMc 2 ATMg 2 ADMg ATMg rotéine kinase A i 2 ATMg 2 ADMg ATMg Glucagon rotéine kinase A i hosphate Glc Glc-6- Glc Vo Fructose-6-phosphate Glycogène AMc e 2 ATMg 2 ADMg rotéine kinase A i K - Glc K - Glc-6- Voie des entose-phosphates Fr-6- K K FK-1 Engagem K - F Fr-6- FK-2a K FK-2b FBase -2b FK-2a FBase -2a FK-1 Engagement Fr-1,6-B FK-2b FBase -2b FK-2a FBase -2a FK-2b FBase -2b rotéine 2 i 2 H H hosphatase 2A 2O 2O Fr-1,6-B ADMg FBase -2a rotéine Fructose-2,6 ADMg 2,6-bisphosphate rotéine 2 i Fructose-2,6-bisphosphate 2 H H hosphatase 2A 2O 2O Glycolyse 2 i 2 H H hosphatase 2A 2O 2O bisphosphate Contrôle de la Fructose-2,6 synthèse et 2,6-bisphosphate de la Fructose-2,6 dégradation 2,6-bisphosphate du fructose-2,6-bisphosphate dans le foie Fructose-2,6-bisphosphate Glycolyse nthèse et de la dégradation du fructose-2,6-bisphosphate dans le foie Contrôle de la synthèse et de la dégradation du fructose-2,6-bisphosphate dans le foie Le Glc-6- 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 Régulation de l hexokinase 2 - Régulation de l hexokinase Glycogène Glycogène 100 Hexokinase 100(muscle) 2 - Régulation Hexokinase de (muscle) l hexokinase horylation 50 Fr-6-50 FK-1 Engagement Fr FK-1 Engagem 0, Fr-1,6-B Glc [glc] mm Hexokinase (muscle) Hex HK sang GK 0, Fr-1,6-B [glc] mm HK sang GK Glycolyse 50 L'hexokinase a une forte affinité pour le Glc (pour lʼhexokinase musculaire, alors Glycolyse que la glucokinase (foie) a une affinité beaucoup + faible. Lʼhexokinase est inhibée par son F produit : le Glc-6-, qui inhibe lʼhexokinase. Quand la voie FK-1 0,1 est 5 inhibée, 10 accumulation 20 en amont des substrats, c-à-d Fr-6- et aussi le Glc-6-. [glc] mm HKcette sang accumulation GK de Glc-6- entraîne un blocage de lʼhexokinase. Lʼaction de lʼinhibition de la FK-1 va donc aussi bloquer lʼhexokinase, par augmentation du Glc-6-. Si Glc très abondant blocage de cette voie. On pourrait penser que le Glc va sʼaccumuler puisque non phosphorylé par lʼhexokinase. 11 hosph horylation hosph Glc Hexokinase Glc-6- Voie des Glc entose-phosphates Hexokinase Glc-6- 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-. glucokinase ne phosphoryle le glucose que lorsquʼil est en forte concentration, très élevé en concentration. Cela produit du Glc-6-. Vo e

25 La voie de la glycolyse nʼest pas empruntée puisque la FK-1 est inhibée, mais cʼest la voie de èse du glycogène qui est privilégiée. Rôle de la glucokinase : apporter du Glc-6- 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. ermet la régulation de la synthèse de lʼinsuline. 3- Régulation par la K (pyruvate kinase) Contrôle de l activité de la K-L H 2O K- AD rotéine kinase A (AMc dépendante) Contrôle hormonal i E + AD K active AT yruvate + AT Fr-1,6-B AT Alanine Acétyl CoA Contrôle métabolique 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 soit Régulation de la K-L : 2 types de régulation : IV- Glycolyse et athologie Régulation allostérique Le 1 contrôle - Tumeurs métabolique cancéreuses: de cette enzyme au niveau hépatique : AT, qui peut entraîner une inhibition de la capture allostérique, du glucose on ralentit la voie métabolique glycolyse lorsque la charge énergétique est élevée. de la vitesse de la glycolyse Alanine est aussi un inhibiteur allostérique. Ala dérive très facilement de lʼacide pyruvique par transamination. Ala est capable de capable de bloquer cette activité K-L. L hypoxie au sein de la masse tumorale induit LʼacétylCoA, témoin de charges énergétiques est aussi inhibiteur. le facteur de transcription HIF-1 À lʼinverse, le Fr-1,6-B est activateur. Régulation * l expression hormonale des transporteurs du glucose Mêmes des types facteurs de angiogéniques contrôle hormonaux. La KA dépend de lʼamc, va phosphoryler et rendre inactive (a vérifier) lʼactivité pyruvate kinase. Rôle de la phosphorylation par la KA pour FK-2 et K-L limiter la consommation de Glc dans le foie de manière à ce que celui-ci soit disponible pour les autres tissus. IV - Glycolyse et athologie (suite)

26 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 : ET-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- déshydrogénase. Globules rouges touchés de façon prioritaire (ne contiennent pas de mitochondries, donc leur approvisionnement énergétique dépend uniquement de lʼat). Si on a une activité K faible, on a un certain retentissement très rapidement visible : production insuffisante dʼat anémie hémolytique. Les globules rouges sont plus fragiles, nʼont pas suffisamment dʼat, carence en énergie destruction des globules rouges. # fréquente dans le monde dʼenzymopathie. (autre enzymopathie : déficit en Glc-6- déshydrogénase (cf voie des pentose-phosphates)) Cette carence en K est moins fréquente que le déficit en Glc-6- déshydrogénase, mais elle est néanmoins importante. On peut aussi avoir des mutations au niveau de la glucokinase :

27 Ce déficit en glucokinase se traduit par une forme de diabète, le diabète MODY. lusieurs 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)