Métabolisme énergétique du Glucose La Glycolyse et la Gluconéogenèse Introduction La Glycolyse représente la voie centrale de production d énergie chez tous les êtres vivants. Ce sont Dix réactions enzymatiques permettant de passer d une molécule de Glucose à deux molécules de Pyruvate (Sucre à 3C). Les voies métaboliques du Glucose sont nombreuses : Ø Son oxydation après obtention du Pyruvate dans le cadre du cycle de Krebs permettra la libération de 34 à 38 ATP, ainsi que de CO 2 et de l eau. Le Glucose est ici complètement dégradé, et ceci de manière irréversible. Ø A partir d un intermédiaire, le Glucose-6-phosphate, il est possible de former du glycogène, afin de mettre en réserves le glucose. La Glycogénogénèse définit cette mise en réserves, et est contrôlée par l Insuline. La voie métabolique du glucose peut être suppléée par des protéines ou des lipides, qui agissent par homologie de structure afin d approvisionner ces voies. Remarque : La Glycémie correspond au taux de glucose dans le sang, elle est physiologique entre 0,8 et 1,26 g/l, un taux plus élevé et à long terme définit le Diabète. Notons que nous sommes physiologiquement en hyperglycémie après les repas. I- La Glycolyse A. Réactions types de la glycolyse La Glycolyse en elle-même permet de rendre le glucose accessible, et d optimiser son potentiel énergétique. Ainsi, les dix réactions ne permettent pas réellement de fournir de l énergie pour l organisme, mais la molécule finale est par contre très énergétique. On retrouvera cinq réactions types lors de la Glycolyse : 1. Transfert de phosphoryle Il s effectue via une kinase, et provient d un ATP. Ainsi, la phosphorylation d une molécule par un ATP entraine la formation d une molécule d ADP. 2. Déplacement de phosphoryle Il s agit de replacer le groupement PO 3 au sein de la molécule, afin de rendre sa place optimale pour la fourniture d énergie, cela s effectue via une Mutase. 3. L Isomérisation Elle permet, via des Isomérases, de passer d un aldose à une cétose, et vice versa.
4. La déshydratation Elle permet de concentrer la molécule d un point de vue énergétique, et s effectue via des Déshydratases, avec la libération d une molécule d eau. 5. Le clivage aldonique Il permet de cliver une liaison C-C, afin de former à partir d un sucre à 6C, deux plus petits à 3C, dans le cadre de la glycolyse. B. Les deux phases de la glycolyse 1. La phase d investissement, étapes 1 à 5 La glycolyse en soi n est pas productrice d énergie pure. En effet, afin d obtenir une molécule riche en énergie, et produire de l ATP, il faut d abord investir deux ATP, un dans l étape 1, et un autre dans la 3. Cette phase permet de former Deux molécules de glycéraldéhyde-phosphate. 2. La phase de récupération, étapes 6 à 10 Lors de cette phase, chaque molécule de Glycéraldéhyde-phosphate réagit afin de former un pyruvate en fin de réactions, en entrainant au cours de celles-ci la libération de Deux ATP (Étapes 7 et 10). Ainsi, lors de la phase de récupération sont produites Quatre ATP, le bilan de la glycolyse est positif (+2 ATP). Notons qu à la fin, le glucose n est pas totalement dégradé, le Pyruvate naissant est une molécule très riche en énergie, énergie qui pourra être déversée à l organisme. C. Les différentes étapes de la glycolyse 1. Première étape, phosphorylation du glucose L utilisation d un ATP et d une Hexokinase permet de phosphoryler le Glucose, afin de former le Glucose-6-phosphate. Cette étape est essentielle car elle permet de retenir le glucose à l intérieur de la cellule. Pour les rares cellules libérant du glucose dans l organisme (Les cellules hépatiques notamment), il existe une Phosphorylase afin de cliver le PO 3, et permettre la sortie de la molécule. Le Magnésium est indispensable à cette étape, afin de protéger les sites de phosphorylation et permettre la formation de la bonne molécule. Les deux sources de magnésium les plus riches sont le chocolat et la banane. Une carence en magnésium entraine rapidement des fatigues.
2. Deuxième étape, réaction d isomérisation Via une isomérisation, l aldose est transformé en cétose, et le glucose-6p devient le fructose-6-phosphate. 3. Troisième étape, phosphorylation Elle est catalysée par la Phospho-fructokinase PFK, permettant de rajouter un PO 3 via l utilisation d ATP et l assistance du magnésium sur le Fructose-6P. La molécule obtenue est alors le Fructose-1,6- bisphosphate. Cette étape et la première sont considérées comme irréversibles, et sont donc la cible de régulations hormonales, qui s effectue en fonction de la richesse énergétique cellulaire. Toutes les autres étapes, hormis la dernière, sont réversibles. 4. Quatrième réaction, scission du fructose Il s agit de cliver le fructose (6C) en deux trioses, via une Aldolase : Ø Le Dihydroxyacétone-phosphate DHAP. Ø Le Glycéraldéhyde-3-phosphate GAP. 5. Cinquième réaction, isomérisation Elle permet de transformer le DHAP en GAP, réaction catalysée par la Triose phosphate isomérase TIM. Ce sont les deux GAP qui serviront à cinq étapes suivantes, de production d énergie. Cette isomérisation passe par un intermédiaire énédiol. Pathologie : La TIM n est fonctionnelle que lors de la présence de deux AA, le Glutamate en position 165, et l Histidine 95. Des mutations de ces AA sont fréquentes, et l enzyme est alors déficiente ; dans ce cas, la phase I de la glycolyse n entraine la formation que d une seule molécule de GAP, avec un bilan de production d énergie de la glycolyse nul. Les conséquences, en plus d une fatigue chronique liée à la carence ne production d énergie, peuvent devenir des empoisonnements, si l organisme de se débarrasse par du DHAP.
Bilan de la première phase Les prochaines étapes s effectuent toutes deux fois, puisqu ont été produites deux molécules de GAP. 6. Sixième réaction Elle est catalysée par la Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase GAP DH, s associant avec la Nicotinamide NAD. Le NAD deviendra du NADH + H +, qui pourra se retrouver dans la mitochondrie et interagir avec la chaine respiratoire afin de produire 3 ATP. La réaction est très exonergique, et permet le rattachement d un OPO 3 sur le GAP, afin de former le 1,3-bisphosphoglycérate 1,3-BPG (Le GAP possède déjà un PO 3 avant la réaction en position 3). 7. Septième réaction Le PO 3 précédemment rattaché sera éliminé via une Phosphoglycérate kinase PGK (Possédant une structure en coquille), et entrainera la formation d un ATP, ce qui forme le 3-phosphoglycérate 3-PG (Attention, la molécule n est pas la même que le GAP, le PO 3 a été retiré, mais il reste l oxygène sur le C 1 ). 8. Huitième réaction, déplacement de PO 3 Via une Phosphoglycérate mutase PGM, le PO 3 en position 3 sera éliminé afin d être replacé en position 2 : Formation d un 2-glycérophosphate 2-GP.
9. Neuvième réaction, réaction de déshydratation Via une énolase, la molécule se condense en énergie (Création d une double liaison) lors de la déshydratation, formant le Phosphoénolpyruvate PEP. C est une des molécules les plus énergétiques du vivant. 10. Dixième réaction Elle constitue la troisième étape de régulation de la glycolyse, c est une réaction quasi-irréversible. Elle permet la formation, grâce à la Pyruvate Kinase, de libérer le PO 3 du PEP, et de former une cétone, constitutive du Pyruvate, obtenue à partir du PEP, tout en libérant une molécule d ATP. En résumé Ø La Glycolyse est une réaction enzymatique permettant de modifier le glucose afin de permettre la libération d énergie. Ø Elle a lieu uniquement dans le cytoplasme, ce sont Dix réactions séparés en deux phases. Ø Il s agit d investir 2 ATP afin d en libérer 4, le bilan net est de 2 ATP. Ø Elle libère également 2 NADH + H +, qui peuvent interagir avec la chaine respiratoire des mitochondries afin de produire 2x3 ATP. II- Régulation de la glycolyse A. Sur quelles étapes? Elle s opère au niveau de Trois étapes clés : Ø La 1 e étape : Glucose à Glucose-6P par l Hexokinase. Ø La 3 e étape : Fructose-6P à Fructose-1,6-BP par la phosphofructokinase PFK. Ø La 10 e étape : PEP à Pyruvate par la Pyruvate kinase.
B. De quelle manière Elle peut s effectuer de plusieurs manières : Ø Via un contrôle allostérique : L activité de l enzyme est régulée par la liaison d un produit. Ø Inhibition compétitive par le produit lui-même : Le produit de la réaction se lie au site actif et entre en compétition avec le réactif. La vitesse de la réaction est diminuée. Ø La modification covalente : L enzyme est phosphorylé/déphosphorylé via des Kinases/Phosphatases. En général l état phosphorylé est plus actif et la vitesse de réaction s en voit accélérée, mais il existe des exceptions. Ø Le contrôle transcriptionnel : Le contrôle de la vitesse de réaction s effectue par le contrôle de l expression d un gène. C. Les enzymes clés dans la régulation 1. L Hexokinase Elle est inhibée de manière compétitive par le Glucose-6P. Ainsi, lorsque la cellule comporte suffisamment de G-6P en intracellulaire, le transport de glucose est stoppé. 2. La Phosphofructokinase Elle est inhibée par l ATP et le citrate, la présence d énergie indique à la cellule qu il n est pas nécessaire d en fournir plus. Dans le cas contraire, l AMP ou une accumulation de Fructose-2,6-bisphosphate vont activer cet enzyme. 3. La Pyruvate kinase Elle est activée par le Fructose-1,6-bisphosphate, et est inhibée par la présence d énergie, soit forte présence d ATP. D. La Glucokinase Cet enzyme permet de catalyser la réaction qui permet de passer du glucose au glucose-6p. Elle possède le même rôle que l Hexokinase (1 e étape de la Glycolyse, permet la rétention intracellulaire), mais est retrouvée essentiellement dans le foie, organe de stockage du glycogène. La glucokinase n est pas inhibée par la forte présence de G6P, ce qui permet au foie de stocker un maximum de glucose. Remarque : L insuline est hypoglycémiante car elle active la transcription du gène de la Glucokinase. A l inverse, le glucagon active la Glucose-6-phosphatase, afin de permettre la libération de glucose dans le sang.
E. La phosphofructokinase 2 PFK2 1. Principe Le fructose-2,6-bisphosphate est obtenu par la phosphorylation du fructose-6p en position 2, par la PFK2, qui peut jouer à la fois un rôle de kinase et de phosphatase, selon la concentration en F6P. Lors de l accumulation de cette molécule s active la PFK, et ainsi la formation de fructose-1,6-bisphosphate. La PFK2 est régulée de manière covalente, et possèdera des rôles de kinases ou de phosphatases en fonction de son état de phosphorylation : Ø Lorsqu elle est déphosphorylée, elle va phosphoryler le Fructose-6-phosphate, afin de former le F-2,6-BP. Ø Lorsqu elle est phosphorylée, elle va déphosphoryler le F-2,6-BP en F-6-P. 2. Régulation par les hormones hépatiques L insuline déphosphoryle la PFK2, et la rend active en tant que kinase, ce qui induit la production de F-2,6-BP, activant la glycolyse et bloquant la néoglucogénèse. A l inverse, le glucagon entraîne la phosphorylation de la PFK2, lui fournissant une activité de phosphatase, le F-2,6-BP est éliminé, limitant l activité de la glycolyse. III- La destinée du Pyruvate, très dépendante de l oxygène A. La voie aérobie La glycolyse et l activation du cycle de Krebs, nécessitant de l oxygène, entraineront la dégradation totale du glucose en ATP, tout en libérant de l eau et du CO 2, ainsi que la formation indirecte d ATP à l aide de cofacteurs d oxydoréduction (NADH/H + ou FADH/H 2 ) agissant dans la chaîne mitochondriale. La voie respiratoire entraine la formation de 34 à 38 ATP.
B. La voie anaérobie Deux voies accessoires seront privilégiés, elles n entraînent pas la dégradation totale du pyruvate. 1. Formation d acide lactique et cycle de Cori, fermentation homolactique Elle est essentiellement retrouvée au niveau des muscles et des bactéries. Lors d un surrégime et que le sang est incapable d apporter suffisamment d oxygène pour les muscles, l organisme passe en mode anaérobie : Ø Le NADH + H + ne peut pas servir dans la chaine respiratoire mitochondriale, et vient suppléer la formation de Lactate. Ø La réaction est catalysée par la Lactate déhydrogénase. Ø Le Pyruvate n est pas dégradé totalement et devient de l acide lactique (Ou Lactate). Il transite alors dans le sang afin d être recyclé en glucose au niveau du foie, via la gluconéogénèse. L accumulation d acide lactique dans l organisme induit l existence de crampes, sa vitesse d élimination dépend des caractères génétiques, mais également de l entraînement. 2. Formation d éthanol, fermentation alcoolique Cette réaction essentiellement retrouvée dans les levures passe par deux étapes : Ø La décarboxylation du pyruvate en acétaldéhyde. Ø La réduction de l acétaldéhyde, avec l utilisation d un NADH/H +, formant un éthanol. Anaérobie : Bilan La glycolyse, par l investissement de 2 ATP, permet la production de 2 pyruvates, 2 ATP, et 2 H 2 O. En voie aérobie, la dégradation totale du pyruvate entraîne la libération de 38 ATP. En conditions anaérobies : Ø La fermentation lactique permet la production de 2 lactates, 2 ATP, et 2 H 2 O, avec une dégradation totale impossible du Lactate. Ø La fermentation alcoolique libère 2 éthanols, 2 ATP, 2 CO 2 et 2 H 2 0, et encore une fois avec une dégradation totale impossible de l éthanol. Ainsi, la respiration est 19 fois plus efficace que la glycolyse anaérobie dans la production d ATP.
IV- La Gluconéogenèse GNG A. Généralités Elle correspond à la synthèse du glucose à partir du pyruvate. A l inverse de la Glycolyse effectuée dans toutes les cellules, seules certaines cellules spécifiques sont capables d effectuer la Gluconéogenèse, essentiellement par les hépatocytes, représentant 90% du métabolisme. Les 10% restants s effectuent majoritairement au niveau du rein. Mis à part les étapes irréversibles, la Gluconéogénèse correspond à la réaction inverse de la Glycolyse. Notons que la Gluconéogénèse est consommatrice d énergie, et qu elle nécessite Deux pyruvates afin de former une seule molécule de Glucose. B. Contournement de l étape catalysée par la Pyruvate Kinase (Pyruvate à PEP) Cela passe par deux enzymes : Ø La Pyruvate carboxylase (Mitochondriale). Ø La phospho-énol-pyruvate carboxykinase (Cytoplasmique). Certaines étapes de la GNG s opèrent au niveau de la mitochondrie et du RE, tandis que la glycolyse ne s effectue exclusivement qu au niveau cytoplasmique, c est ainsi que la Pyruvate carboxylase agit en milieu mitochondriale. 1. L activité Pyruvate carboxylase, conversion du Pyruvate en Oxaloacétate L activité pyruvate carboxylase permet de greffer un acide carboxylique sur le Pyruvate en consommant un ATP, et ainsi de donner un Oxaloacétate qui possède alors 4C. C est la seule réaction de la GNG s effectuant au niveau de la mitochondrie. Cette réaction de carboxylation est associée à un cofacteur vitaminique, la Vitamine B8 (Ou H), ou Biotine. Elle est greffée sur l enzyme au niveau une Lysine, et forme alors un Bras prosthétique qui permet de fixer le substrat sur le Pyruvate, au niveau d un azote. L énergie contenue dans la molécule d ATP permet de carboxyler l enzyme-biotine, qui contiendra alors le COO - qui sera greffé sur la Pyruvate, sans ce cofacteur, le C ne pourra être greffé directement.
v L Avidine-Biotine L Avidine est une protéine retrouvée en grande quantité dans le blanc d œuf : Ø D un point de vue biochimique, l Avidine possède une très forte affinité pour la Biotine, caractéristique utilisée comme «colle» afin d assembler des structures protéiques. Ø Sur le plan pathologique, une consommation excessive de blanc d œuf peut entrainer une insuffisance en Biotine, et donc des problèmes de métabolisme au niveau de la GNG. Afin d entrer dans la voie de la GNG, l Oxaloacétate doit sortir de la mitochondrie, car tout le reste de la réaction est cytosolique. Cependant, la membrane mitochondriale est totalement imperméable à cette molécule. Il s agit alors de modifier la structure de la molécule afin de former du L-Malate, auquel la membrane est perméable. Notons que le Malate n est qu un intermédiaire, l Oxaloacétate sera reformé dans le cytoplasme. La réaction, réversible, est catalysée par la Malate déshydrogénase, une fois dans le cytoplasme, la réaction inverse se produit, via la même enzyme, afin de reformer l Oxaloacétate, ne pouvant plus revenir dans la mitochondrie. 2. Conversion de l Oxaloacétate en PEP, activité PEP-carboxykinase C est une décarboxylation catalysée par la PEP-carboxykinase. Le substrat est de plus phosphorylé, à partir d un PO 3 présent sur un GTP. Remarque : La formation de pyruvate à partir du PEP fournissait un ATP, tandis que la réaction inverse nécessite l apport d un GTP et d un ATP. Bilan : v Conversion du PEP jusqu au Fructose-1,6-bisphosphate C est une succession de réactions identiques à la Glycolyse, puisque toutes ces réactions sont réversibles, et deux pyruvates permettront d obtenir une seule molécule de Fructose-1,6-bisphosphate
C. Contournement de l étape catalysée par la PFK (Etape 3 de la glycolyse) C est une réaction catalysée par la Fructose-1,6-bisphosphatase, à activité phosphatase. Cela correspond au passage du Fructose-1,6-BP au Fructose-6-phosphate, sujet à de nombreuses régulations. D. Contournement de l étape catalysée par l Hexokinase/Glucokinase C est cette réaction qui conditionne la redistribution dans l organisme du glucose, puisque le G6P ne peut pas traverser la membrane plasmique. Cette déphosphorylation s effectue non pas dans le cytoplasme mais au niveau du RE, elle implique cinq protéines, une enzyme (Glucose-6-phosphatase), le substrat G6P, une protéine stabilisante, et des canaux : Ø Un premier canal permet le passage du G6P dans la lumière du RE. Ø L enzyme glucose-6-phosphatase déphosphoryle le G6P. Ø Deux canaux permettent le retour du glucose et du phosphate inorganique dans le cytoplasme. Ø Une protéine stabilise le complexe. Notons que la Glucose-6-phosphatase ne s exprime pas dans toutes les cellules de l organisme. En particulier, les cellules musculaires en sont totalement dépourvues, et tout le glucose destiné aux muscles ne sera jamais remis à disposition de l organisme, il ne pourra qu être totalement dégradé afin de fournir de l énergie. Il faut investir : Energie nécessaire à la synthèse du glucose via la GNG Ø 2 molécules de pyruvate, nécessaires à la synthèse d une molécule de glucose. Ø 6 molécules à haut potentiel énergétique : - 2 ATP utilisés par la Pyruvate décarboxylase (Pyruvate à Oxaloacétate x2) - 2 GTP utilisés par la PEP-ck (Oxaloacétate à PEP x2) - 2 ATP utilisés afin de passer du 3-phosphoglycérate au 1,3-BPG (Réaction 7 de la glycolyse) Ainsi, la GNG consomme plus d énergie que la glycolyse n en fournit. Notons que les deux voies ne seront jamais activées simultanément dans une cellule.
E. Régulation de la GNG Elle s effectue de la même manière que pour la glycolyse, et permet alors de maintenir les taux de glucose circulant dans le sang, constants. L intervalle physiologique est de 0,8 à 1,26 g/l. C est essentiellement le foie qui permet cette régulation, via deux phénomènes, la GNG, mais également la Glycogénolyse, qui permet de détruire le glycogène afin de remettre à disposition du glucose. Ceci est important car certaines cellules telles celles du cerveau, des muscles et les globules rouges utilisent du glucose en permanence. De plus, les GR ne possèdent pas de mitochondries et sont donc totalement tributaire de l apport de glucose par le sang. 1. Régulation par disponibilité du substrat Ce sont Trois principaux substrats, qui régulent tout ou partie de la GNG: Ø Les AA dérivent du clivage des liaisons peptidiques, le plus représenté est l Alanine, constituant 60% de la régulation, il régulera toutes les étapes. Ø Le Lactate à 30%, le substrat terminal du cycle de Cori, régulant également la totalité de la voie. Il est produit par le muscle au cours d un effort physique important (Cycle de Cori) en voie anaérobie. Il est également produit par les érythrocytes, ne possédant pas de mitochondrie, et incapables d oxyder le pyruvate. Ø Le Glycérol à 10%, il permettra de former du Glycérol-3P, donnant par la suite du DHAP, et ne régulera ainsi que les étapes 1 à 5 de la glycolyse. Il provient du tissu adipeux, notamment lorsque les concentrations en Insuline sont basses, ou en Glucagon sont hautes. C est en dehors des repas et lors de jeun prolongé que ces voies seront activés, afin de permettre la formation de glucose. L utilisation différentielle de ces trois voies dépend surtout de la physiologie. La synthèse du Pyruvate proviendra alors de deux sources principales, le Lactate et l Alanine : Ø La Lactate déshydrogénase LDH oxyde le lactate en Pyruvate tout en produisant du NADH. Ø L alanine amino-transférase convertit l alanine en pyruvate. Elle est très essentiellement retrouvée dans les cellules hépatiques, et sa présence dans le sang traduit systématiquement une souffrance hépatique. Le pyruvate peut également être transformé en Alanine, qui sera transporté jusqu au foie afin d être recyclé. La voie métabolique de l alanine peut également conduire à de l urée, qui sera éliminé par le cycle de l urée, au niveau du rein. 2. Régulation locale Toute molécule traduisant un potentiel énergétique important inhibe la glycolyse, et active la GNG, ce sont notamment la présence d ATP, de Citrate, ou encore de protons. A l inverse, l absence d énergie active la Glycolyse et inhibe la GNG. Remarque : La Glucose-6-phosphatase ne possède pas de régulation locale, et ne l est que par son taux d expression tissulaire.
3. Régulation systémique Elle s effectue notamment par l Insuline, hormone hypoglycémiante par excellence et le Glucagon, possédant le rôle inverse. L insuline est sécrétée par les cellules β des îlots de Langerhans et à fort taux de glucose dans le sang : Ø Elle augmente alors l entrée de glucose dans les tissus, notamment hépatiques (Stockage et libération dans l organisme) et musculaires (Stockage et utilisation). Ø Elle active la Glycolyse et inhibe la GNG. Le Glucagon est sécrété afin de palier les hypoglycémies, active la GNG et inhibe la glycolyse. Cette régulation passe également par la sécrétion d Adrénaline et de Noradrénaline (Epinéphrine et norépinéphrine) : L adrénaline sécrétée par les corticosurrénales favorise la libération accrue de glucose dans le sang, d où hyperactivité des muscles et du cerveau. L essentiel Ø Le glucose peut être phosphorylé en Glucose-6-phosphate, bloqué en intracellulaire. Ø Ce Glucose-6-phosphate possède plusieurs devenirs : - Formation du glycogène, structure de stockage notamment dans le foie et les muscles. - La Glycolyse, strictement cytoplasmique, est activée dans toutes les cellules, elle permet de fournir du pyruvate, et peu d énergie. La dégradation totale du pyruvate via le cycle de Krebs fournit beaucoup plus d énergie. Ø Les AA, les lipides, les sucres peuvent redonner du pyruvate, et donc du glucose. Ø Le glycogène peut être clivé afin de former du glucose.