CHMI 3226 F Biochimie II - Métabolisme Semaine du 20 septembre Structure et métabolisme des glucides 2. Glycolyse E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Destin du sucre de l’alimentation Sucres de l’alimentation 60% amidon 30% sucrose 10% lactose Amylase (salive) Amylase pancréatique (duodénum) Maltose (a-D-glucopyranosyl (1->4) b-D-glucopyranose) Maltase Glucose Sucrase Glucose + Fructose Glucose + Galactose Lactase Transport dans les cellules épithéliales intestinales E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Glycolyse Glucose + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 Pi Dégradation d’une molécule de glucose en 2 molécules de pyruvate Le pyruvate est par la suite acheminé vers d’autres voies métaboliques: Conversion en lactate ou éthanol (fermentation; anaérobique) Conversion en acétyl-CoA, lui-même convertit en H2O et CO2 dans le cycle du citrate (aérobique) Output énergétique: 2 molécules d’ATP et 2 molécules de NADH Glucose + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 Pi 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Glycolyse Implique les étapes suivantes: Tronçon hexose: Phase d’investissement; Phosphorylation du glucose: empêche le glucose de sortir de la cellule; Coupure d’un hexose en 2 trioses; À ce point: consommation de 2 ATP Tronçon triose: Phase payante; modification des deux trioses pour former le pyruvate, Formation de 2 NADH et 4 ATP. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Enzymes de la glycolyse Pyruvate kinase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Première étape: Production du glucose-6 phosphate La phosphorylation du glucose prévient sa sortie de la cellule; Étape irréversible dans la cellule; Point de régulation de la glycolyse: Inhibition par le G6P (inhibiteur allostérique) Hexokinase or glucokinase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Première étape: Production du glucose-6 phosphate Hexokinase Présente dans presque toutes les cellules Km pour le glucose: 0.1 mM Saturée sous des conditions physiologiques très sensible à l’inhibition par la G6P Comme la concentration intracellulaire en glucose est très faible, le Km est suffisant pour permettre une régulation du taux de glycolyse via inhibition par le G6P. Glucokinase Isoforme de l’hexokinase Présente seulement dans les cellules du pancréas et du foie Km pour le glucose: 10 mM beaucoup moins sensible à l’inhibition par G6P; Comme la concentration de glucose sanguin est de 5 mM, et que le glucose entre librement dans les cellules du foie/pancréas, la glucokinase n’est donc jamais saturée; Les cellules du foie et pancréas répondent donc aux élévations de la concentration sanguines en glucose en augmentant la production de G6P. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Deuxième étape: Isomérisation en fructose-6 phosphate Réaction existant essentiellement à l’équilibre; Pas un point de contrôle Glucose-6 phosphate isomérase E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Troisième étape: Production du fructose-1,6 bisphosphate Phosphofructokinase-1 (PFK-1) Étape cruciale: Irréversible Oblige le F6P à compléter la glycolyse PFK-1 est un point de régulation important: Activateurs (si manque d’ATP): AMP F2,6BP Inhibiteur (si beaucoup d’ATP): F1,6BP citrate Ces contrôles permettent d’ajuster le taux de glycolyse en fonction des besoins; E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Quatrième étape: Scission du F1,6biP en glycéraldéhyde 3-P et dihydroxyacétone phosphate Aldolase Triose phosphate isomérase Réaction existant essentiellement à l’équilibre; Pas un point de contrôle La triose phosphate isomérase convertit le DHAP en G3P. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Cinquième étape: Conversion du DHAP en G3P E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Tronçon triose E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Sixième étape: Conversion du G3P en 1,3-bisphosphoglycérate Étape payante de la glycolyse: Génération de NADH: produira beaucoup d’ATP Génération de 1,3 bPG: composé riche en énergie qui mènera à la production d’ATP à l’étape suivante. Catalysée par la glycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénase (GAPDH) Cofacteur crucial: NAD+/NADH E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

NAD(P)+ et NAD(P)H E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

NAD(P)+ et NAD(P)H L’oxidation/réduction de métabolites par le NAD/NADPH se fait toujours deux électrons à la fois; En biochimie: Réduction: gain de H+ Oxydation: perte de H+ Les enzymes déshydrogénases transfèrent un ion hydride (H:-) d’un substrat vers l’anneau pyridine du NAD/NADP; La réaction globale est: NAD(P)+ + 2e- + 2H+ NAD(P)H + H+ E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

NAD(P)+ et NAD(P)H Les déshydrogénases peuvent donc, avec le NAD+/NADH, oxyder ou réduire des molécules; Le NADH sert dans le catabolisme et mène à la synthèse de beaucoup d’ATP; Le NADPH est plutôt utilisé dans les réactions anaboliques. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Sixième étape: Catalyse par la GAPDH 1 2 4 E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Sixième étape: Conversion du G3P en 1,3-bisphosphoglycérate Pi 4 5 E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Septième étape: Conversion du 1,3 bPG en 3-phosphoglycérate Catalysé par la Phosphoglycérate kinase; Ce type de réaction (où un composé riche en énergie [ici le 1,3-bPG] mène à la production d’ATP) est appelé phosphorylation au niveau du substrat. Se produit à l’équilibre: donc pas un point de contrôle; Mène à la production d’une molécule d’ATP. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Pourquoi l’arsenic est-il si toxique? L’arsenic est très similaire au phosphore: As formera de l’arsenate (AsO4-3), qui prendra la place du phosphate dans la réaction catalysée par la GAPDH, formant le 1-Arseno-3-phosphoglycérate Comme le 1-Arseno-3-phosphoglycérate est instable, il formera spontanément le 3-phosphoglycérate, empêchant la production d’ATP à l’étape catalysée par phosphoglycérate kinase; La conséquence ultime est que la production nette d’ATP par la glycolyse est nulle. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Huitième étape: Conversion du 3-PG en 2-phosphoglycérate Catalysé par la Phosphoglycérate mutase; Se produit à l’équilibre: donc pas un point de contrôle; E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Neuvième étape: Conversion du 2-PG en phosphoénolpyruvate Catalysé par l’énolase; Se produit à l’équilibre: donc pas un point de contrôle; Produit le PEP, un composé riche en énergie; L’énolase est inhibée par les ions fluorure (F-). E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Dixième étape: Formation du pyruvate à partir du PEP F1,6bP Catalysée par la pyruvate kinase; Réaction irréversible; Point de contrôle: Activée par le F1,6bP Produit 1 ATP. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Question Où se retrouvera le C3 du glucose lors de sa conversion en pyruvate? Le C5? E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Destin du pyruvate En présence d’oxygène (conditions aérobiques), le pyruvate entre dans le cycle de l’acide citrique, pour être converti en CO2, H2O, et beaucoup d’ATP. En absence d’oxygène (conditions anaérobiques), le pyruvate suit une voie alternative (fermentation) où il est converti en éthanol (chez les microorganismes) ou en lactate (le muscle, érythrocytes, cornée de l’oeil). La fermentation a les conséquences suivantes: ne produit pas d’ATP (autres que ceux déjà obtenus par la glycolyse); et sert à obtenir du NAD à partir du NADH produit par la glycolyse (et donc à s’assurer que la glycolyse ne manquera pas de NAD). E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Fermentation chez les microorganismes E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Fermentation chez les animaux Glucose + 2 Pi2- + 2 ADP3- 2 Lactate- + 2 ATP4- + 2 H2O (LDH) E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Déficience en LDH Maladie héréditaire (autosomale récessive) affectant particulièrement les muscles; Résulte en une réduction de la capacité à utiliser le glucose: exercice en conditions anaérobiques est impossible; Intolérance à l’exercice, épisodes de myoglobinurie (urine de couleur rouille, indiquant la dégradation du tissu musculaire). E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

LDH et crise cardiaque LDH fonctionnelle: tétramère; Deux gènes produisent la LDH: LDHA: Muscle squelettique et foie Protéine: LDH M LDHB: Cœur Protéine: LDH H Donc: plusieurs combinaisons sont possible, tout dépendant des isoformes exprimées Cependant: la forme H4 n’est retrouvée que dans le coeur; La présence de la forme H4 dans le sang révèle un infarctus. H4 H2M1 H2M2 H1M3 M4 E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Régulation de la glycolyse ATP est en quantité suffisante: La glycolyse est ralentie: Inhibition de la PFK par l’ATP et le citrate Inhibition de l’hexokinase par le glucose-6 phosphate Inhibition de la pyruvate kinase par l’ATP ATP est en quantité insuffisante: La glycolyse est accélérée: PFK est activée par l’AMP et le fructose 2,6-bisphosphate; La pyruvate kinase est activée par le F1,6bP E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Régulation de la glycolyse E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Rôles du glucose-6 phosphate E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Régulation de la glycolyse E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Régulation de la PFK1: effet de l’AMP E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

PFK-1 Régulation par le F2,6BP Le F2,6BP est un puissant activateur de la PFK-1; Produit par la PFK-2: 2 types d‘activité enzymatique: phosphorylation du F6P (PFK2) Inhibée par le citrate déphosphorylation de F2,6BP (F2,6 phosphatase) Inhibée par le F6P En cas de grande consommation de glucose, le G6P augmente, menant à davantage de F6P; Le F6P augmentera considérablement la concentration de F2,6bP de deux façons: Activation de la PKF-2 Inhibition de l’activité phosphatase de la F2,6 phosphatase; Donc: quand le glucose est en quantité suffisante: la glycolyse est stimulée par l’activation de la PFK-1 par le F2,6bp. F6P E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

PFK-1 Rôle du glucagon Glucagon: hormone pancréatique sécrétée lorsque le taux sanguin de glucose est trop bas; Le glucagon agit en stimulant la phosphorylation de la PFK-2. Ceci a deux conséquences Inhibition de l’activité kinase Stimulation de l’activité phosphatase Ceci conduit à une diminution de la concentration de F2,6bP, une diminution de l’activité de la PFK-1, et un ralentissement de la glycolyse; Le F6P est converti en glucose par gluconéogenèse; Le glucose peut alors être sécrété dans le sang. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

L’effet Pasteur Sous des conditions anaérobiques, la conversion du glucose en pyruvate est beaucoup plus élevée qu’en conditions aérobiques; L’effet Pasteur est un ralentissement de la glycolyse en présence d’oxygène; Plus d’ATP est produit en conditions aérobiques qu’en conditions anaérobiques: donc la cellule a besoin de consommer moins de glucose en présence d’oxygène afin de produire son ATP. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Dégradation du fructose E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Dégradation du galactose E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Le 2,3 biphosphoglycérate Produit en abondance dans les globules rouges; Régulateur allostérique (inhibition) de l’oxygénation de l’hémoglobine; Produit via la biphosphoglycérate mutase: diversion de la glycolyse 20% du flux de la glycolyse est ainsi dévié pour produire le 2,3bPG Activation par un manque d’oxygène (hypoxie) causée par l’anémie, la cigarette et la haute altitude. Conséquence: facilite la relâchement de O2 dans les tissus lorsque la pO2 est plus faible que la normale; Méchanisme qui permet à la cellule de s’adapter à des changements chroniques de pO2. E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010

Régulation de la glycolyse Manque de glucose (p.ex. après un court jeune) 2. Apport de glucose après un court jeune 3. Régulation de maintient (i.e. vs statut énergétique) a) Inhibe la glycolyse (glucagon) b) Utilise les réserves (glycogène) c) Accélère la synthèse du glucose a) Initialement: stimulation de la glycolyse (PFK-1, PFK-2, Pyruvate kinase) b) Plus tard: Ralentissement de la glycolyse (re-stockage des réserves de glycogène) (hexokinase, PFK-1) a) ↑ AMP: ↑ glycolyse b) ↑ ATP (↑citrate): ↓ glycolyse E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne Biochimie II – A2010