Rôle énergétique des glucides: glycolyse et néoglucogenèse Pr Jean Luc OLIVIER 2013-2014

Fonction énergétique des glucides Plan du cours 1- Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique: Glucides et nutrition humaine 2- La glycolyse Vue d’ensemble du métabolisme énergétique, importance de la glycolyse Première partie de la glycolyse: conversion du glucose en deux trioses Deuxième partie de la glycolyse: phase de Payoff, synthèse d’ATP Glycolyse : bilan énergétique et régulations enzymatique Les navettes mitochondries-cytosol Glycolyse et besoins en oxygène Glycolyse et diversité des oses 3- Néoglucogenèse: définition, rôle, différence avec la glycolyse

Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique 90 à 95 % des diabètes sont du type II: Dysrégulation de l’entrée intracellulaire du glucose et de son catabolisme

Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Prévalence diabètes en 2007 Compréhension du diabète: il est nécessaire de comprendre les régulations du métabolisme des glucides et lipides pour comprendre et prévenir/traiter le diabète

Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Livraisons de glucose et d’isoglucose à destination des industries agroalimentaires françaises Mise à disposition en tonnes (source : USIPA) 1994 343 000 1995 337 000 1996 333 000 1997 327 000 1998 391 000 1999 402 000 2000 421 000 2001 421 000 2002 422 000 Glucides et apports énergétiques totaux: - 40 à 43 % chez les femmes - 38 à 43 % chez les hommes, Un des objectifs nutritionnels prioritaires du PNNS est d’augmenter la consommation de glucides afin qu’ils contribuent à plus de 50% des apports énergétiques journaliers: en favorisant la consommation des aliments sources d’amidon en réduisant de 25 % la consommation actuelle de sucres simples en augmentant de 50 % la consommation de fibres.

Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Index glycémique de certains aliments courants (avec le glucose comme standard) L’impact des différents aliments riches en glucides sur la réponse glycémique est comparé par rapport à un aliment standard, tel que le pain blanc ou le glucose. Cette mesure s’appelle l’Index Glycémique (IG). Aliments ayant un faible IG (moins de 55) Pâtes et nouilles Lentilles Pommes et jus de pommes Poires Oranges et jus d’oranges Raisins Yaourt maigre Haricots blancs Chocolat Aliments ayant un IG moyen (55-70) Riz basmati Banane Gruau d’avoine « Soft-drinks » Maïs doux Ananas Aliments ayant un IG élevé (> 70) Pain (blanc ou complet) Pomme de terre cuite Cornflakes Frites Pommes de terre en purée Riz blanc

Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Étapes dans la digestion des glucides Polysaccharides (ex: amidon) disaccharides, trisaccharides, oligosaccharides Monosaccharides Amylase salivaire Amylase pancréatique enzymes sécrétées Lumière du Tube digestif Maltase (malt. 2 gluc.) Lactase (lac. gluc + gal) Sucrase (sucr. gluc + fruc) Isomaltase (a-limit dextrinase) Enzymes intestinales de la bordure en brosse Les glucides sont exclusivement absorbés sous la forme de monosaccharides

Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Digestion de l’amidon par l’amylase pancréatique Glucose Oligo- saccharides Hydrolyse des liaisons alpha 1-4, digère l’amidon en oligosaccharides Les oligosaccharides sont hydrolysés par les enzymes de la bordure en brosse. Triose Maltose Amidon

Enzymes digestive de la bordure en brosse Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Enzymes digestive de la bordure en brosse Disaccharidases Quatre groupes de disaccharidases Sucrase-isomaltase Maltase-glucoamylase Lactase Tréhalase Dipeptidases, Aminopeptidases Monoglyceride lipase Nucleotidases, nucleosidases Alkaline phosphatase Oligo-, Tri-, Disaccharides Monosaccharides

Absorption des monosaccharides Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique Absorption des monosaccharides Deux familles de transporteurs SGLT: absorption active secondaire (nécessite de l’ATP) GLUT: diffusion facilitée (ne nécessite pas d’ATP ) La famille GLUT comporte plusieurs membres

   Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique + + + Fonction énergétique des glucides Rôle des glucides dans le métabolisme énergétique L’ATP: le carburant de la cellule -O - P - O - P - O- P - O - CH2 N NH2 OH O O- 1' 2' 3' 4' 5' Phosphate Base (Adénine)    O ATP -30,5 kJ/mol (-7,3 kcal/mol) Sucre (Ribose) Trois liaisons riches en énergie ADP + Pi -30,5 kJ/mol (-7,3 kcal/mol) AMP + Pi -14,2 kJ/mol (-3,4 kcal/mol) Adénosine-ribose + Pi

Mito- chondrie Cytosol Fonction énergétique des glucides Vue d’ensemble du métabolisme énergétique, importance de la glycolyse Schéma général de synthèse cellulaire de l’énergie dans l’organisme Mito- chondrie Cytosol glucose Glycogène (n+1) Glycogène (n) glycolyse pyruvate Diglycérides Monoglycérides Glycérol Triglycérides Acides gras b-oxydation Cycle de Krebs Acétyl CoA NADH+H+ Pyruvate ATP synthase Chaîne respiratoire FADH2 NADH+H+ ATP

Vue d’ensemble du métabolisme énergétique, importance de la glycolyse Fonction énergétique des glucides Vue d’ensemble du métabolisme énergétique, importance de la glycolyse La glycolyse est la voie métabolique qui, à partir d’une molécule de glucose (6 carbones) produit 2 molécules de pyruvate (3 carbones) produit du NADH+H+ dans le cytosol consomme et produit de l’ATP Elle se déroule dans le cytosol !!! C’est une deux grandes voies de production de l’énergie cellulaire: à partir des glucides L’autre voie: β-oxydation à partir des acides gras

Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Les deux premières étapes : phosphorylation et conversion du glucose en fructose Phosphohexose isomérase CH2OH C H OH O 1 2 3 4 5 6 CH2 – O – PO3 C H OH O 1 2 3 4 5 6 2- Hexokinase CH2OH -O- CH2 OH C O H 2 3 4 5 1 6 P -33,4 kJ/mole -2,5 kJ/mole Attention: DG=DG0’+RTln([A][B]/[C][D]) dans l’érythrocyte réversible ATP ADP Fructose-6- phosphate Glucose Glucose-6 phosphate irréversible

Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Fructose-1, 6-bisphosphate CH2-O- -O- CH2 OH C O H 2 3 4 5 1 6 P ATP ADP Phospho- fructo kinase-1 (PFK-1) -22,2 kJ/mole irréversible Fructose-6- phosphate CH2OH C OH H CH2-O- O P CH2OH +7,5 kJ/mol -1,25 kJ/mole (DG0’=23,8 kJ/mole) aldolase Triose phosphate isomérase Dihydroxy- acétone- phosphate glycéraldéhyde- 3-phosphate Séparation en deux trioses Isomérisation en équilibre

Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Phosphofructokinase-1: - Régulation allostérique Il existe une autre forme PFK-2 (synthèse du F2,6 biP) Elle catalyse une étape clé de la glycolyse C’est une étape irréversible C’est donc un niveau de régulation ++++

Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 1ère partie, conversion du glucose en trioses Bilan Conversion d’un hexose en 2 trioses Consommation de deux liaisons riches en énergie (2 ATP -> ADP) Réactions irréversibles = points de régulation = réactions catalysées par l’hexokinase et la PFK-1 Les réactions consomme le glycéraldéhyde-3P et « tire » vers sa formation à partir du fructose 1,6 bisP

Glycolyse : 2ème partie (phase de Payoff) Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 2ème partie (phase de Payoff) -1,7 KJ/mole glycéraldéhyde- 3-phosphate C OH H CH2-O- -O O P 1,3-bisphos- phoglycérate Glycéraldéhyde-3-phosphate déhydrogénase NAD+ S C OH H CH2-O- P NAD+ S C OH H CH2-O- O P NADH+H+ Chaîne respiratoire -O -P-OH O- Phosphate inorganique P H+ NADH S C OH H CH2-O- O NAD+ SH

Glycolyse : 2ème partie (phase de Payoff) Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 2ème partie (phase de Payoff) C OH H CH2-O- -O O P 1,3-bisphos- phoglycérate 3-phospho- glycérate ATP ADP Phosphoglycérate kinase -1,25 kJ/mole C O H CH2OH -O P 2-phospho- glycérate Phosphoglycérate mutase 0,8 kJ/mole réversible H2O C O CH2 -O P Phosphoénol- pyruvate énolase -3,3 kJ/mole réversible C O CH3 -O Membrane mitrochondriale pyruvate H3C-COO- + CO2 Acétyl-CoA Pyruvate déshydro- génase -33,4 kJ/mole irréversible pyruvate C O CH3 -O ADP ATP Pyruvate kinase -16,7 kJ/mole Irréver- sible

Acétyl CoA Glycolyse : 2ème partie (phase de Payoff) Fonction énergétique des glucides Glycolyse : 2ème partie (phase de Payoff) ATP (énergie) Acétyl CoA cycle de Krebs L'acétyl CoA est un carrefour métabolique Chaîne respiratoire Cholestérol Acides Gras Synthèse Glucides Glycolyse Acides gras b-oxydation

x2 Glycolyse : bilan énergétique et régulations enzymatique Fonction énergétique des glucides Glycolyse : bilan énergétique et régulations enzymatique Glucose Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate Fructose-1,6-bisphosphate -1 ATP Hexokinase: régulation Phosphofructokinase-1: régulation Dihydroxy-acétone- phosphate x2 glycéraldéhyde- 3-phosphate 1,3-bisphosphoglycérate 3-phosphoglycérate 2-phosphoglycérate Phosphoénolpyruvate pyruvate +1 ATP +1 NADH+H+ Chaîne respiratoire +3 ATP Pyruvate kinase-1: régulation Bilan énergétique: 2x(3+1+1)-2 ATP = 8 mole ATP/ mole glucose en aérobie (normoxie)

Fonction énergétique des glucides Les navettes mitochondries-cytosol Cycle de Krebs FADH2 NADH+H+ Mitochondrie Triglycérides Diglycérides Monoglycérides Glycérol Acides gras Acétyl CoA b-oxydation ATP synthase Cytosol Chaîne respiratoire ATP Le NADH+H+ produit dans la glycolyse doit être réoxydé en NAD+ par la chaîne respiratoire glycolyse pyruvate Glycéraldéhyde 3P 1,3-bisphos- phoglycérate glucose NADH+H+ NAD+ NAD+ NADH+H+ Navette

Fonction énergétique des glucides Les navettes mitochondries-cytosol: NADH+H+/ NAD+ mitochondriaux et cytosoliques sont échangés Glutamate +NH3 -OOC-CH2-CH2-CH COO- _ -OOC - CH2 - CH -COO- +NH3 Aspartate Aspartate aminotransférase (transaminase) O -OOC-CH2-CH2-C-COO- = a-cétoglutarate Oxaloacétate -OOC - CH2 - C -COO- O = Malate déshydrogénase NADH+ H+ NAD+ Chaîne respiratoire Malate -OOC - CH2 - CH -COO- OH _ Aspartate Glutamate a-cétoglutarate Aspartate amino-trans- férase (transaminase) Oxaloacétate Glyco- lyse Malate NADH+H+ Malate déshy- drogénase NAD+

Fonction énergétique des glucides Glycolyse et besoins en oxygène Chaîne respiratoire NADH+H+ FADH2 NAD+ FAD ATP Hypoxie (anaéorobie) La chaîne respi- ratoire s’arrête Le NADH+H+ mitochondrial n’est plus recyclé en NAD+ Le stock de NAD+ mito- chondrial est épuisé Que se passe-t’il pour la glycolyse ? Production ATP ? Le cycle de Krebs s’arrête glycéraldéhyde- 3-phosphate 1,3-bisphosphoglycérate +1 NADH+H+ ?

Glycolyse et besoins en oxygène Foie reconversion en glucose Fonction énergétique des glucides Glycolyse et besoins en oxygène C O CH3 -O pyruvate Glycolyse Tissus périphériques (muscles) NADH+H+ NAD+ Lactate déshydro- génase -25,1 kJ/mole Fermentation alcoolique (levures) C O CH3 -O pyruvate Pyruvate décarboxylase CO2 CH3 C -O O -O O C OH CH3 H lactate Acidose acétaldéhyde NADH+H+ Alcool déshydrogénase Foie reconversion en glucose NAD+ CH3 CH2OH éthanol

x2 Glycolyse et besoins en oxygène Fonction énergétique des glucides Glucose -1 ATP Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate -1 ATP Fructose-1,6-bisphosphate x2 Dihydroxy- acétone- phosphate glycéraldéhyde- 3-phosphate Fermentation lactique NAD+ NADH+H+ +3 ATP 1,3-bisphosphoglycérate +1 ATP Bilan énergétique: 2x(1+1)-2 ATP = 2 mole ATP/mole glucose en anaérobie (hypoxie) 38 mole ATP en aérobie (glycolyse+cycle de Krebs +chaîne respiratoire 3-phosphoglycérate 2-phosphoglycérate Phosphoénolpyruvate +1 ATP pyruvate

Glycolyse et diversité des oses Fonction énergétique des glucides Glycolyse et diversité des oses Les différents oses rentrent dans la glycolyse lactase Lactose Galactose UDP-galactose UDP-glucose Phospho- rylase Glycogène Amidon -1 ATP Glucose- 6-phosphate Fructose-1, 6-bisphosphate Fructose- 6-phosphate Glycéraldéhyde 3-phosphate Dihydroxy- acétone phosphate Glucose Glucose- 1-phosphate hexokinase pyruvate Maltose Maltase Mannose Mannose- 6-phosphate hexokinase Saccharose Fructose- 1-phosphate Fructose -1 ATP saccharase hexokinase fructokinase Maladies génétiques: Exemple = lactase

Glycolyse et diversité des oses Fonction énergétique des glucides Glycolyse et diversité des oses Glycolyse et fructose: conséquence en nutrition Bilan de la glycolyse: l’utilisation de fructose coûte un ATP de moins que le glucose Le fructose a un pouvoir sucrant supérieur au saccharose de 20 à 40% selon les conditions Ose simple fréquent dans l’alimentation Exemple du miel: composition Il est composé de : Des glucides (sucres) en grande quantité : 78 à 80 %, représentés essentiellement par du fructose (ou lévulose) : 38 %, glucose (ou dextrose) : 31 %, ainsi que du maltose, du saccharose (ou sucrose) et divers autres olysaccharides (mélibiose, turanose, mélézitose…)[14]. De l'eau : Variable selon la maturité du miel lors de sa récolte, max. 18 % Mais plusieurs autres effets sur le métabolisme !

La néoglucogenèse n’est pas l’inverse de la glycolyse Fonction énergétique des glucides Néoglucogenèse: définition, rôle, différence avec la glycolyse La néoglucogenèse n’est pas l’inverse de la glycolyse Cerveau Glucides (glucose) Acides gras Corps cétoniques Les différents « carburants » (source d’ATP) biologiques Tissus périphériques (muscles) Il est nécessaire de maintenir la glycémie de fournir du glucose au cerveau Synthèse de glucose nécessaire lors d’un jeune prolongé

Réactions 1 2 3 Fonction énergétique des glucides Néoglucogenèse: définition, rôle, différence avec la glycolyse 3 réactions irréversibles dans la glycolyse: 3 déviations dans la néoglucogenèse -16,7 -31,4 Pyruvate kinase Phosphoénolpyruvate+ADP Pyruvate+ATP -22,2 -14,2 Phosphofruc- tokinase-1 Fructose-6P + ATP Fructose-1,6bisP + ADP -33,4 Hexokinase Glucose + ATP Glucose-6P + ADP DG kJ/mole (érythrocyte conditions physiologiques) DG0’ kJ/mole Enzyme Réactions Pyruvate Oxaloacétate O 3HC - C - COO- = -OOC - CH2 - C -COO- Pyruvate Carboxylase + CO2 - C -COO- CH2 P ATP ADP +Pi GTP GDP +CO2 PEP PEP Carboxykinase 1 Fructose-1,6-bisP + H2O Fructose-6P + Pi Fructose-1,6-bisP phosphatase 2 Glucose-6P + H2O Glucose + Pi Glucose-6P phosphatase 3

- + Régulations de la néoglucogenèse et de la glycolyse Fonction énergétique des glucides Néoglucogenèse: définition, rôle, différence avec la glycolyse Régulations de la néoglucogenèse et de la glycolyse Glycolyse Oxalo- acétate Pyruvate Néoglucogenèse Pyruvate Carboxylase Pyruvate déshydrogénase CO2 - Acétyl-CoA + Fructose-6P + ATP Fructose-1,6-bisP + ADP Cycle de Krebs Phospho- fructokinase-1 Régulations hormonales Coût énergétique de la néoglucogenèse: 2ATP + 2GTP + 2ATP + 2(NADH+H+)

Fonction énergétique des glucides Conclusion Les glucides sont un des deux groupes d’aliments pourvoyeur d’énergie pour notre organisme Facilement mobilisable, réponse aux besoins à court terme Complémentarité avec les lipides Diversité des oses, rôle fondamental du glucose La glycolyse est une voie métabolique cytosolique, articulation avec les voies mitochondriales La néoglucogenèse permet de maintenir une glycémie constante (apports au cerveau) La néoglucogenèse coûte en énergie et est une voie de « secours »

Auto-test sur les dérivés de l’acide arachidonique et du cholestérol Pour télécharger le QCM, cliquer sur l’onglet