LA GLYCOLYSE

PLAN I/ Introduction II/ Définition II/ Intérêt clinique III/ Entrée du glucose dans la cellule IV/ Etapes de la glycolyse V/ Bilan énergétique VI/ Régulation de la glycolyse VII/ Anomalie de la glycolyse dans le foie et le pancréas.

INTRODUCTION Différents rôles des glucides: - Production d’énergie ou mise en réserve - Synthèse des glycoprotéines - Synthèse des nucléotides - Interrelations métaboliques Besoin minimum en glucides: pour la plupart des tissus Besoin primordial: pour le cerveau et les érythrocytes

DEFINITION Glycolyse : voie d’Embden Meyerhoff oxydation progressive d’une molécule de glucose à 6C en deux molécules de pyruvate à 3C et la phosphorylation couplée de l’ADP en ATP. But: transférer et produire de l’énergie Présente dans le cytosol de toutes les cellule C’est également la voie du fructose et du galactose - Peut fonctionner en aérobiose (utilisation de l’O2 à travers la chaine respiratoire) et en anaérobiose avec production finale soit d’acide lactique soit d’éthanol

DEFINITION Carrefours métaboliques importants : - le G6P conduit à la synthèse du glycogène, des pentoses P, de la glucosamine , constituant des glycoprotéines. - les trioses P sont en relation avec le fructose, les pentoses P et le glycérol 3 P - le pyruvate produit final de la glycolyse, est en relation directe dans le cytosol, avec le lactate et l’alanine, et dans mitochondries avec l’acétyl CoA et l’oxaloacétate.

DEFINITION La glycolyse aérobie conduit à la formation de 2 pyruvate, 2ATP, 2NADH, H+. Le glucose subit une oxydation totale en CO2 et H2O. La glycolyse anaérobie produit également 2 pyruvate, 2 ATP, et 2 NADH, H+. Les réactions suivantes conduisent à la réoxydation du NADH, H+ avec une production finale : - Soit du lactate (fermentation lactique) : c’est ce système qui fournit de l’ATP aux cellules qui ne possèdent pas de mitochondries comme les globules rouges et aux cellules en hypoxie comme les muscles striés en contraction rapide. - Soit de l’éthanol (fermentation alcoolique).

INTERET BIOMEDICAL La glycolyse permet: Au muscle squelettique de fonctionner à des niveaux élevés quand l’oxydation aérobie devient insuffisante. Aux tissus capables d’une glycolyse importante de survivre à des épisodes d’anoxie.

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE En période alimentaire: le glucose provient de l’intestin. - L’augmentation de la glycémie déclenche la sécrétion d’insuline par les cellules B du pancréas. - Le foie, premier tissu traversé par le sang portal, capte 30 à 40 % du glucose. - Le glucose restant se répartit entre les autres tissus : cerveau, GR, muscles, tissu adipeux…il est dégradé en pyruvate par la voie de la glycolyse et stocké par la voie de la glycogénogénèse dans le foie et les muscles.

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE En situation de jeûne: le glucose sanguin provient du foie, à partir de la glycogénolyse et de la néoglucogénèse sous l’influence des taux élevés de glucagon sécrété par les cellules A du pancréas.

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE Transport facilité: le glucose franchit la membrane phospholipidique et hydrophobe des cellules par un mécanisme de diffusion facilitée, à l’aide de transporteurs passifs. Ces transporteurs, appelés GLUT (glucose transporter) sont codés par des gènes différents, et classés suivant l’ordre chronologique de leur découverte. Ce sont des glycoprotéines transmembranaires. La fixation du glucose sur la face extracellulaire de la membrane provoque un changement de conformation de la protéine ce qui fait passer l’ose sur la face interne où il est libéré

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE On connait actuellement 5 transporteurs membranaires de glucose appelés GLUT numérotés de 1 à 5 soit GLUT 1 à GLUT 5. Ce sont des protéines qui ont une certaine ressemblance dans les premières séquences mais présentent ensuite des séquences spécifiques à leurs membranes d’accueil.

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE Les transporteurs GLUT s’expriment plus ou moins selon les types cellulaires et se distinguent par leur Km pour le glucose. Les GLUT 1 (abondants dans le GR): Km d’environ 1mM (concentration nettement inférieure à la glycémie voisine de 5mM).  Favorisent ainsi la pénétration du glucose dans le GR quand la glycémie est basse, en période de jeûne.

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE Les GLUT 2 (abondants dans le foie et le pancréas): Km compris entre 15 et 20mM (nettement plus élevée que la glycémie post-prandiale ). Le glucose diffuse donc très rapidement dans l’hépatocyte quand le taux sanguin est élevé comme c’est le cas dans la veine porte en période alimentaire. Inversement, le glucose ne pénètre que faiblement dans l’hépatocyte quand la glycémie est basse, en période de jeûne.

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE Les GLUT 3 (abondants dans le cerveau): possèdent les mêmes caractéristiques que les GLUT 1. Les GLUT 4 (abondants dans le tissu adipeux et les muscles): Km d’environ 5mM. La synthèse et l’affinité des GLUT 4 pour le glucose, sont régulées par l’insuline

ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE Transport actif: consomme de l’énergie Le glucose est transporté contre un gradient de concentration. Le glucose et le sodium sont transportés dans le même sens et en même temps à travers la membrane (cellule épithéliale, intestinales, rénales etc….

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Série de dix réactions catalysée par dix enzymes dans le cytosol Intermédiaires de la glycolyse: tous phosphorylés (ne peuvent pas traverser la membrane plasmique)

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Phosphorylation du glucose par l’ATP

ETAPES DE LA GLYCOLYSE phosphorylation du glucose par l’ATP Réaction irréversible Nécessite de l’ATP (consomme de l’énergie) et du Mg++ Catalysée par: - L’hexokinase - Ou la glucokinase

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Phosphorylation du glucose par l’ATP L’hexokinase: - Présente dans toutes les cellules (sauf le foie et le pancréas) - Phosphoryle le glucose et les autres hexoses - Affinité élevée pour le glucose (faible Km) - Inhibée par le G6P

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Phosphorylation du glucose par l’ATP La glucokinase: - Retrouvée au niveau du foie et du pancréas - Spécifique au glucose - Faible affinité pour le glucose (Km élevée): intervient surtout en post-prandial - Non inhibée par le G6P

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Isomérisation du G6P en F6P

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Isomérisation du G6P en F6P Isomérisation réversible (phosphoglucose isomérase) réarrangement d’atomes pour former des isomères Conversion d’un aldose en cétose

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Phosphorylation du F6P en F1,6 biP

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Phosphorylation du F6P en F1,6 biP Transfert du phosphoryle par une phosphotransférase: la PFK1 Réaction irréversible Consomme de l’énergie (ATP) et nécessite du Mg++ Rôle important dans la régulation de la glycolyse Engage définitivement le glucose vers le catabolisme

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Scission du F1,6 biP

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Scission du F1,6 biP Réaction réversible Catalysée par la fructose 1,6 biphosphate aldolase (aldolase) - Aldolase A: la plupart des tissus - Aldolase B: foie et rein

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Interconversion des trioses phosphates L’aldolase produit le GAP et le DHAP Seul le GAP est utilisé par les réactions suivantes le DHAP doit être transformé en GAP

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Interconversion des trioses phosphates

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Interconversion des trioses phosphates Réaction d’isomérisation Conversion d’un cétose (DHAP) en aldose (GAP) Catalysée par la triose phosphate isomérase

ETAPES DE LA GLYCOLYSE

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Formation d’ATP et oxydation du GAP

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Formation d’ATP et oxydation du GAP Oxydation couplée à la phosphorylation Formation d’une liaison riche en énergie Production de NADH,H+ coenzyme d’oxydo-réduction

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Transfert du phosphate sur l’ADP et synthèse de l’ATP

ETAPES DE LA GLYOLYSE Transfert du phosphate sur l’ADP et synthèse de l’ATP Transfert du phosphoryle par une phosphotransférase: phosphoglycérate kinase Réaction réversible Fournit de l’énergie (ATP)

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Isomérisation du 3phosphoglycérate en 2phosphoglycérate

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Isomérisation du 3 phosphoglycérate en 2 phosphoglycérate Réaction d’isomérisation avec transfert intramoléculaire de radical Le phosphate est déplacé de la position 3 à la position 2 Phosphoglycérate mutase: forme phosphorylée de l’enzyme qui dans une première réaction phosphoryle la position 2 avec formation d’un intermédiaire biphosphorylé (le 2,3 biphosphoglycérate) et puis récupère le groupement phosphate de la position 3 Réaction réversible où le Mg++ est indispensable

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Déshydratation du 2phosphoglycérate en phosphoénolpyruvate

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Déshydratation du 2phosphoglycérate en PEP Réaction de déshydratation Enolase: inhibée par le fluorure Formation d’une liaison riche en énergie (PEP) avec redistribution de l’énergie à l’intérieur de la molécule Réaction réversible Mg++ou Mn++: indispensable

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Transfert du phosphate du PEP sur l’ADP

ETAPES DE LA GLYCOLYSE Transfert du phosphate du PEP sur l’ADP Transfert de phosphoryle par une phosphotransférase: la pyruvate kinase Réaction irréversible Passe par un intermédiaire énolique Réarrangement spontané en la forme cétonique Produit de l’énergie (ATP) Mg++ou Mn++ : indispensable

ETAPES DE LA GLYCOLYSE

BILAN ENERGETIQUE DE LA GLYCOLYSE

REGULATION DE LA GLYCOLYSE Régulation métabolique Dans les voies métaboliques, les enzymes qui catalysent les réactions irréversibles sont des sites potentiels de régulation

REGULATION DE LA GLYCOLYSE Régulation métabolique glucose HK Pentoses P G6P Glycogène PFK Trioses phosphate PK Pyruvate

REGULATION METABOLIQUE Hexokinase/Glucokinase

REGULATION METABOLIQUE Hexokinase/Glucokinase L’hexokinase: a une activité limitée; une accumulation de G6P l’inhibe (rétrocontrôle allostérique exercé par le G6P) Lorsque la PFK est inactive, la concentration en F6P augmente et le taux de G6P augmente car il est en équilibre avec le F6P. L’inhibition de la PFK induit l’inhibition de l’HK

REGULATION METABOLIQUE Hexokinase/Glucokinase L’activité de la glucokinase dans le foie est proportionnelle à la concentration intracellulaire du glucose (reflet de la concentration plasmatique) Elle phosphoryle le glucose uniquement quand il est abondant (Km élevée) La Km élevée de la glucokinase du foie permet au cerveau et aux muscles d’être les premiers à être servis lorsque l’apport du glucose est limité

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Enzyme clé dans le contrôle de la glycolyse Trois mécanismes permettent de moduler l’activité de la PFK: - Induction de la synthèse de cette enzyme - Modification covalente des enzymes par phosphorylation ou déphosphorylation - Régulation allostérique par des effecteurs

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) La PFK1 est inhibée par: L’ATP: elle se fixe sur un site régulateur différent du site catalytique ce qui abaisse son affinité pour le substrat Une concentration élevée en ATP transforme une courbe hyperbolique de liaison pour le F6P en courbe sigmoïde

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1)

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) L’action inhibitrice de l’ATP est bloquée par l’AMP ou l’ADP L’activité de l’enzyme augmente lorsque le rapport ATP/AMP s’abaisse

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Le citrate: - Intermédiaire du cycle de l’acide citrique - Une concentration élevée en citrate signifie que les précurseurs biosynthétiques sont abondants et ainsi une quantité supplémentaire de glucose ne doit pas être dégradée dans ce but. - Le citrate inhibe la PFK1 en augmentant l’effet inhibiteur de l’ATP

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Le NADH,H+: - Potentialise l’effet inhibiteur de l’ATP - Inhibition levée dès que le NADH,H+ est réoxydé en NAD+

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) La PFK1 est activée par le fructose 2,6 biphosphate: - Activateur très puissant de la PFK1 en augmentant son affinité pour le F6P et en diminuant l’effet inhibiteur de l’ATP - Formé par phosphorylation du F6P grâce à la PFK2 - Hydrolysé en F6P par la fructose biphosphatase2

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) La PFK2 et la fructose biphosphatase 2: enzyme bifonctionnelle avec une activité kinase et une activité phosphatase présentent dans une seule et unique chaine polypeptidique appelée enzyme en tandem Ces fonctions opposées sont réciproquement contrôlées: De façon allostérique: par le F6P qui accélère la synthèse de F2,6 BiP et inhibe son hydrolyse

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Par phosphorylation d’un résidu sérine glucose dépendant

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Quand le taux de glucose est bas, une augmentation dans le sang du glucagon déclenche une cascade de réactions conduisant à la phosphorylation de cette enzyme bifonctionnelle. Cette phosphorylation active la fructose biphosphatase 2 et inhibe la PFK2 diminuant ainsi le taux de F2,6 BIP la glycolyse est freinée.

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Inversement, quand le taux de glucose est augmenté, l’enzyme perd le groupement phosphate qui lui était attaché, ce qui conduit à une augmentation du niveau de F2,6 BIP et donc à une accélération de la glycolyse.

REGULATION METABOLIQUE Phosphofructokinase (PFK1) Le glucagon contrôle l’activité de l’enzyme en tandem

REGULATION METABOLIQUE Pyruvate kinase 3 isoenzymes : - Type L: foie - Type M: muscle et cerveau - Type A: autres tissus L’isoenzyme L :contrôlée par phosphorylation réversible. Quand le taux de glucose est bas, le glucagon déclenche une cascade de réactions qui augmente la proportion de pyruvate kinase phosphorylée (forme moins active). Ceci va empêcher le foie de consommer du glucose quand il est plus urgent d’en fournir au muscles et au cerveau

REGULATION METABOLIQUE Pyruvate kinase L’isoenzyme M : n’est pas phosphorylée de façon réversible La pyruvate kinase, enzyme allostérique, est activée par: - Le F1,6BiP et le PEP Elle est inhibée par: - L’ATP, le citrate et les acides gras à longues chaines

REGULATION HORMONALE

ANOMALIE DE LA GLYCOLYSE DANS LE FOIE ET LE PANCREAS Mutations sur le gène de la glucokinase : diabète monogénique à début précoce appelé diabète MODY 2 (Maturity Onset Diabetes of the Young, type 2). La diminution de l’activité enzymatique de la glucokinase est associée dans les cellules B du pancréas à une diminution du flux glycolytique pour un niveau glycémique donné. Ce défaut se traduit par l’élévation du seuil glycémique induisant la sécrétion d’insuline .  

ANOMALIE DE LA GLYCOLYSE DANS LE FOIE ET LE PANCREAS Autre déficiences: hexokinase, phosphoglucoisomérase, pyruvate kinase, phosphotrioisomérase etc… Elles sont exprimées Exprimées essentiellement dans les érythrocytes mais également les leucocytes, les cellules musculaires et les cellules du système nerveux central. La plupart des patients présentant des déficiences en ces enzymes glycolytiques sont sujets à des anémies hémolytiques qui varient avec la sévérité de la déficience.

ANOMALIE DE LA GLYCOLYSE DANS LE FOIE ET LE PANCREAS Déficience en pyruvate kinase dans les GR: très grave Ces derniers ne possèdent pas de mitochondries et dépendent exclusivement de la glycolyse pour leur approvisionnement en ATP Mauvais fonctionnement de la glycolyse et production d’ATP insuffisante pour le fonctionnement, l’entretien et le maintien de leur structure membranaire. La membrane se déforme et les globules rouges sont prématurément phagocytés par les cellules du système réticulo-endothélial ce qui est à l’origine de l’anémie hémolytique.