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Glucides
Glycolyse ou voie d'Embden-Meyerhof : phase finale

Sommaire

La production d'énergie à partir du glucose est essentiellement assurée par la voie d'Embden-Meyerhof.

La glycolyse, qui se déroule entièrement dans le cytosol, est divisée en deux phases principales :

Toutes les réactions sont, en principe, réversibles et équilibrées, exceptées les trois réactions catalysées par des kinases qui sont fortement énergétiques et nécessitent d'autres systèmes enzymatiques pour être inversées :

Phase finale de la glycolyse

Cette deuxième phase de la glycolyse comprend des réactions d'oxydo-réduction et de phosphorylation permettant la régénération de l'ATP.

6. Oxydation phosphorylante du glycéraldéhyde-3-phosphate

L'oxydation du glycéraldéhyde-3 phosphate (G3P) en 1,3-bisphosphoglycérate (1,3BPG) couple une phosphorylation à une déshydrogénation.

Oxydation phosphorylante du glycéraldéhyde-3-phosphate
Oxydation phosphorylante du glycéraldéhyde-3-phosphate
(Figure : vetopsy.fr)

$\ce{Glycéraldéhyde-3 phosphate + NAD+ + Pi}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{1,3-bisphosphoglycérate + NADH + H+}$

bien

Cette réaction est l'une des étapes les plus importantes de la glycolyse : elle permet la mise en réserve de l'énergie produite par l'oxydation du glycéraldéhyde-3 phosphate, sous forme d'une liaison acylphosphate (loupecomposés " riches en énergie ").

Cette réaction est catalysée par la glycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénase (triose phosphate déshydrogénase ou G3PDH), EC 1.2.1.12.

  • Cette enzyme est composée de quatre sous-unités identiques, chacune contenant une molécule de NAD+.
  • Un groupe thiol ou sulfhydryle ($\ce{R−SH}$), par sous-unité, est essentiel pour la fonction catalytique de l'enzyme.

La réaction peut se décomposer en plusieurs stades successifs :

1. une réaction d'oxydo-réduction :

  • réaction du groupe aldéhyde ($\ce{−CH=O}$ avec un groupe thiol ou sulfhydryle ($\ce{R−SH}$) et formation d'un thiohémiacétal (hémiacétal lié au soufre) ;
  • oxydation de ce dernier en thioester ($\ce{R–S–CO–R'$} grâce à l'intervention du NAD+ lié à l'enzyme, ce qui produit un acylthioester qui possède une liaison riche en énergie, i.e. exergonique ($\ce{\Delta G'0}$ d'environ -12 kcal.mole-1), ce qui apporte l'énergie à la réaction suivante ;
Mécanisme de la glycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénase (G3PDH)
Mécanisme de la glycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénase (G3PDH)
(Figure : vetopsy.fr)

2. une phosphorylation avec transfert du groupe acyle ($\ce{R–C=O$}) sur une molécule de phosphate minéral, réaction i.e. endergonique ($\ce{\Delta G'0}$ d'environ +12 kcal.mole-1) ;

3. formation d'un anhydride mixte (acylphosphate), le 1,3-bisphosphoglycérate, composé " riche en énergie ".

7. Formation du 3-phospho-D-glycérate (3PG)

Le groupe phosphate de l'anhydride mixte (acylphosphate) 1,3-bisphospho-D-glycérate est transféré à l'ADP pour former de l'ATP et du 3-phospho-D-glycérate (3PG).

Formation du 3-phospho-D-glycérate (3PG)
Formation du 3-phospho-D-glycérate
(Figure : vetopsy.fr)

$\ce{1,3-bisphospho-D-glycérate + ADP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{3-phospho-D-glycérate + ATP}$

Cette réaction est catalysée par la phosphoglycérate kinase (PGK1), EC 2.7.2.3.

Cette réaction est fortement exergonique ce qui lui permet de déplacer l'équilibre en faveur de la formation du 3-phosphoglycérate.

L'ensemble des deux réactions précédente (oxydation du groupe aldéhyde ($\ce{−CH=O}$) du glycéraldéhyde-3 phosphate et formation couplée d'ATP à partir d'ADP et phosphate) est appelé oxydation phosphorylante liée au substrat.

bien

Cette réaction récupère les deux premiers ATP de la glycolyse, car, dans la phase préparatoire de la glycolyse, chaque glucose produit deux glycéraldéhyde-3 phosphate.

8. Isomérisation en 2-phosphoglycérate

Le 3-phospho-D-glycérate (3PG) est isomérisé en 2-phospho-D-glycérate (2PG).

Isomérisation en 2-phosphoglycérate
Isomérisation en 2-phosphoglycérate
(Figure : vetopsy.fr)

$\ce{3-phospho-D-glycérate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{2-phospho-D-glycérate}$

Cette réaction est catalysée par la phosphoglycérate mutase (PGM), EC 5.4.2.11.

  • Son mécanisme serait comparable à celui de la phosphoglucomutase, impliqué dans la transformation du glucose-1-phosphate libéré lors de la glycogénolyse.
  • Le phosphate final n'est pas le même que le phosphate initial et il se forme un intermédiaire 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG).

$\ce{3-phospho-D-glycérate + enzyme-His-N-P}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{2,3-bisphosphoglycérate + enzyme-His-NH}$
$\leftrightharpoons$ $\ce{3-phospho-D-glycérate + enzyme-His-N-P}$

9. Formation de phosphoénolpyruvate (PEP)

Le 2-phospho-D-glycérate (2PG) est déshydraté pour former le phosphoénolpyruvate (PEP).

Formation de phosphoénolpyruvate (PEP)
Formation de phosphoénolpyruvate (PEP)
(Figure : vetopsy.fr)

$\ce{2-phospho-D-glycérate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{phosphoénolpyruvate + H2O}$

La réaction est catalysée par l'énolase ou phosphopyruvate hydratase (EC 4.2.1.11). et a recours à deux ions $\ce{Mg++}$

  • un dans la déshydratation,
  • l'autre pour une coordination avec le groupe carboxyle ($\ce{C(=O)OH}$) du 2PG pour que le site soit bien positionné.
bien

Cette réaction permet la mise en réserve de l'énergie produite sous forme d'une liaison phosphate " riche en énergie ".

10. Formation du pyruvate

Réaction

Le groupe phosphate du phosphoénolpyruvate (PEP) est transféré à l'ADP pour former de l'ATP et du pyruvate.

Formation du pyruvate
Formation du pyruvate
(Figure : vetopsy.fr)

$\ce{Phosphoénolpyruvate + ADP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{énolpyruvate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{pyruvate + ATP}$

Cette réaction passe par un composé intermédiaire, l'énolpyruvate, qui subit une tautomérisation, pour former du pyruvate, et dépend :

  • d'une enzyme, la pyruvate kinase,
  • d'un co-facteur, l'ion $\ce{Mg++}$ et d'ions $\ce{K+}$ pour stabiliser le phosphoénolpyruvate.

Cette phosphorylation au niveau du substrat est possible grâce au $\ce{\Delta G'0}$ d'environ -14,8 kcal.mole-1 de l'ester phosphorique d'énol qu'est le PEP.

bien

Cette réaction récupère deux autres ATP de la glycolyse.

Pyruvate kinase (PK)

Régulation de la  pyruvate kinase
Structure de la pyruvate kinase
(Figure : vetopsy.fr d'après Morgan et coll)

Cette réaction est catalysée par la pyruvate kinase (PGK1), EC 2.7.1.40, qui existe sous 4 isoformes.

Isoformes L et R

Deux isoformes allostériques sont régulées de manière réversible :

  • PKL, L pour " liver ", foie, mais aussi retrouvé dans les reins et l'intestin grêle,
  • PKR, R pour " red " globules rouges ou érythrocytes.

La forme active de PKR est un homotétramère dont chaque sous-unité est constituée de quatre domaines :

  • un petit domaine N-terminal ;
  • les domaines A et C, impliqués dans les interactions interdomaine ;
  • le domaine B.

Les sites de liaison du phosphoénolpyruvate et de l'ADP sont situés dans une fente entre les domaines A et B et contiennent les cofacteurs (ions $\ce{Mg++}$ et $\ce{K+}$), essentiels pour la catalyse.

Ils se présentent sous deux conformations :

1. La conformation R dite relâchée, qui désigne donc la conformation et non pas la PKR, est caractérisée par une forte affinité pour le substrat (Structures of pyruvate kinases display evolutionarily divergent allosteric strategies 2014).

  • C'est la forme activée de la pyruvate kinase qui est sous forme tétramérique.
  • Elle est activée par le PEP et le fructose-1,6-bisphosphate , favorisant la voie glycolytique.
bien

Le fructose-1,6-bisphosphate est le régulateur principal de la réaction : il provient de phase préparatoire de la glycolyse et se fixe sur le domaine C de la pyruvate kinase pour " emballer " la réaction (feedback positif).

En effet, le domaine C de la pyruvate kinase contient des sites de liaison effecteurs allostériques.

  • En l'absence de fructose 1,6 bisphosphate, la PK est sous forme monomérique.
  • En présence de fructose 1,6 bisphosphate , la PK se tétramérise et devient catalytiquement active.
  • PKR, PKL et PKM2, mais pas PKM1, sont régulés de cette manière.

2. La conformation T dite tendue est caractérisée par une faible affinité pour le substrat.

  • C'est la forme inactivée de la pyruvate kinase, sous forme dimérique et phosphorylée.
  • Régulation de la  pyruvate kinase
    Régulation de la pyruvate kinase
    (Figure : vetopsy.fr)
    Elle est inhibée par l'ATP et l'alanine qui provient du cycle de Krebs, ou l'acétyl-CoA favorisant ainsi la néoglycogenèse.

Les régulations indirectes sont l'œuvre de réactions de phosphorylation-déphosphorylation de la pyruvate kinase qui économisent la survenue de cycles " futiles " ou cycles du substrat, cycles qui se produisent lorsque deux voies métaboliques se déroulent simultanément dans des directions opposées, dans ce cas glycolyse et néoglucogenèse.

L'isozyme PKL (foie) est régulée au niveau transcriptionnel et post-transcriptionnel en réponse à diverses hormones (Nutrient and hormonal regulation of pyruvate kinase gene expression1999).

  • Dans le foie, le glucagon et l'épinéphrine activent la protéine kinase A (PKA), qui à son tour, phosphoryle et désactive la pyruvate kinase, i.e. la glycolyse peut être inhibée en période de pénurie de glucose. L'activité de la PKA est dépendant des taux cellulaires d'AMP cyclique (AMPc), d'où son autre nom de protéine kinase dépendante de l'AMPc (EC 2.7.11.11).
  • Par contre, la sécrétion d'insuline, suite à l'élévation de la glycémie, active la phosphoprotéine phosphatase I, provoquant la déphosphorylation et l'activation de la pyruvate kinase.
  • Le glucagon et l'insuline modulent également la transcription de la PKL.
Isoformes M

Les isoformes dites musculaires (M) sont :

  • PKM1, retrouvée dans les muscles, mais aussi le cœur et le cerveau, qui n'est pas régulée ;
  • PKM2, isoforme embryonnaire retrouvée dans les tissus précoces et remplacée progressivement par les autres isoformes.

PKM1 et PKM2 ne diffèrent que de 21 acides aminés, région composée de deux hélices alpha impliquées dans les contacts des sous-unités, déplaçant PKM1 vers une conformation plus active.

pas bien

Une élévation du taux PKM2 est associée au cancer (loupepyruvate et cancer).

Bilan énergétique de la glycolyse

Bibliographie
  • Pas de bibliographie dipsponible !