Glycolyse Cours 1ière année Pharmacie 2012-2013 Biochimie métabolique Pr Sanae Bouhsain

Plan 1- Définition 2- Les réactions de la glycolyse 3- Bilan énergétique de la glycolyse 4- Régulation de la glycolyse 5- Utilisation d’autres sucres dans la glycolyse 6-Principales anomalies de la glycolyse Conclusion

1- Définition Glycolyse dérive du grecque glik (sucre) et lyssis (dissolution) Origines du glucose: alimentaire: digestion de polysaccharides et de disaccharides Origine métabolique:catabolisme du glycogène hépatique et musculaire, précurseurs non glucidiques Voie du catabolisme oxydatif , cytoplasmique, anaérobique avec production de: 2 molécules de pyruvate (C3) Molécules riches en énergie (NADH,H+ et ATP)

Glycolyse 1940: Embden, Mayerhof et Parnas proposent la séquence des réactions de la glycolyse 10 réactions catalysées par 10 enzymes 2 phases: Activation des réactifs: utilisation d’énergie (réaction 1 à 5) Oxydation et production d’enérgie (réaction 6 à 10)

2- Les réactions de la glycolyse

Réaction 1: Hexokinase Réaction : spontanée , irreversible, réaction clé Réaction exergonique, DG = -27,2 kJ/mol Enzyme: Hexokinase et Glucokinase Hexokinase: ubiquiste, non spécifique du glucose, forte affinité (faible Km), toujours active, soumise à régulation Glucokinase: hépatique et pancréatique, spécifique du glucose, faible affinité, n’est active qu’en période post-prandiale

Réaction 2: glucose 6-P- isomérase transformation d’un aldose en cétose Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate Réaction réversible Aldose Cétose

Réaction 3: Phosphofructokinase (PFK 1) utilise ATP Réaction: spontanée, exergonique (DG = -25,9 kJ/mol) La Phosphofructokinase (PFK1): - enzyme clé de la glycolyse - Etape la plus lente de la glycolyse, réaction limitante - Etape majeure de régulation de la glycolyse Réaction

Réaction 4: Aldolase scission du fructose en 2 trioses Fructose-1,6-bisphosphate 2 trioses phosphate (isomères) Cétose +++ Aldose

Réaction 5: Triose Phosphate Isomérase (TIM) Dihydroxyacétone-phosphate Glycéraldéhyde-3-phosphate

Réaction 6: Glycéraldéhyde 3- phosphate déshydrogénase 1,3-bisphosphoglycérate Mécanisme réactionnel couplant : oxydoréduction + transfert de phosphate Formation de NADH, H+

Réaction 7: Phosphoglycérate kinase (PGK) 1,3-Bisphosphoglycérate 3-Phosphoglycérate - Réaction de phosphorylation liée au substrat: Produit une molécule d’ATP

Rappel Phosphorylation au niveau du substrat Processus au cours duquel de l’ATP est produit en dehors de la chaine respiratoire Phosphorylation de l’ADP en ATP par couplage avec une réaction d’hydrolyse d’une molécule riche en énergie Survient au cours du métabolisme à 3 endroits: Glycolyse: réaction catalysée par la 3P glycéraldéhyde kinase Glycolyse: réaction catalysée par la pyruvate kinase Cycle de Krebs: réaction catalysée par la succinyl CoA synthétase

Réaction 8: Phosphoglycérate mutase 3-phosphoglycerate 2-phosphoglycerate

Réaction 9: Enolase Réaction de déshydratation Mg++-dependent

Réaction 10: Pyruvate Kinase Phosphoenolpyruvate Pyruvate - Réaction exergonique irréversible - Enzyme clé de la glycolyse - Le phosphate est transféré à l’ADP avec formation d’ATP (Phosphorylation au niveau du substrat)

Récapitulatif des réactions de la glycolyse

2ième moitié de la glycolyse

3- Bilan énergétique de la glycolyse

1 glucose + 2 ATP + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 pyruvate + 2 NADH, H+ + 2 H2O + 4 ATP 10 enzymes

La destinée de NADH et Pyruvate Aerobie ou anaerobie??

Réduction en lactate Reduction en ethanol levure Oxydation mitochondriale 1 NADH --> ~3 ATP

Bilan global variable Condition anaérobiques: pyruvate lactate Condition aérobiques: mitochondrie Pyruvate: cycle de krebs NADH, H+: chaine respiratoire mitochondriale (3 ATP)

BILAN DE LA GLYCOLYSE Glycolyse (-O2) GLYCOLYSE (+ O2) Réactions 7 et 10 : 4ATP Départ : Réactions 1 et 3 : dépense - 2 ATP Bilan net 2 ATP GLYCOLYSE (+ O2) Réaction 6: 2 NADH réd.(CRM) 6 ATP Réactions 7 et 10 : Kinase 4 ATP Bilan net 8 ATP 12 12

4- Régulation de la glycolyse

Objectif et moyens de la régulation Piloter la glycolyse en fonction de chaque organe: foie, muscle ++++ Gain d’énergie Production de matériaux de biosynthèse Régulation intéresse les enzymes clés Catalysent réactions fortement exergoniques Irréversibles Grande importance l’étape limitante: Catalysée par enzyme clé Réaction la plus lente de la voie métabolique: vitesse dépendante de l’activité enzymatique et non de la fourniture du substrat Moyens de régulation: transcriptionnelle, covalente, cinétique, allostérique,…..

Les étapes clés de la glycolyse Les enzymes catalysant des réactions très exergoniques: Hexokinase Phosphofructokinase-1 (PFK1) Pyruvate kinase

Glycolysis Enzyme/Reaction DGo' kJ/mol DG kJ/mol Hexokinase -20.9 -27.2 Phosphoglucose Isomerase +2.2 -1.4 Phosphofructokinase 1 -17.2 -25.9 Aldolase +22.8 -5.9 Triosephosphate Isomerase +7.9 negative Glyceraldehyde-3-P Dehydrogenase & Phosphoglycerate Kinase -16.7 -1.1 Phosphoglycerate Mutase +4.7 -0.6 Enolase -3.2 -2.4 Pyruvate Kinase -23.0 -13.9 *Values in this table from D. Voet & J. G. Voet (2004) Biochemistry, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 613.

Régulation de l’Hexokinase: contrôle allostérique ADP ATP Hexoses (glucose, fructose, galactose) Glucose (liver; pancreas) Glucokinase Feedback inhibition par glucose-6-P Pas de régulation allostérique Glucose-6-P Hexose-6-P (G6P) glucose-6-phosphate: inhibiteur allostérique de l’hexokinase

2- Régulation de la PFK1 contrôle allostérique

PFK1: Étape limitante glycolyse+++ - Inhibiteurs allostériques: ATP, citrate - Activateur allostérique: Fructose 2,6 biphosphate (F2,6BP) Provient du fructose 6 P Enzyme bifonctionnelle PFK2: Une partie PFK2 (phosphofructokinase 2) Une partie F2,6BPase2 (fructose 2,6 biphosphatase)

Enzyme bifonctionnelle dephosphorylée par proteine phosphatase: PFK-2 - active FBPase-2 - inactive fructose-6-phosphate fructose-2,6-bisphosphate ATP ADP Le choix entre le deux fonctions est contrôlé par phosphorylation de l’enzyme PFK2.++++ fructose-6-phosphate Enzyme bifonctionnelle – phosphorylée (par proteine kinase A): FBPase-2 - active PFK-2 - inactive fructose-2,6-bisphosphate H2O Pi

Formes interconvertibles du PFK2 Passage de la forme phosphorylée à la forme déphosphorylée: contrôle hormonal Dans le foie: Forme dephosphorylée, à activité PFK2 (active) Forme phosphorylée, à activité F2,6BPase En période post prandiale, L’insuline: active la phosphodietérase, déphosphorylation de la PFK2 (active ) Production de F2,6BP Activation de la glycolyse et inhibition de la gluconéogenèse. En période de jeûne physiologique, le glucagon: active la PKA, formation de l’AMPc, phosphorylation de la PFK2: inacive déphosphorylation F2,6BP : inhibition de la glycolyse Glucose réservé aux tissus gluco-dépendants

3- Régulation de la Pyruvate kinase contrôles: allostérique et covalent Delta G = -27,2 kJ/mol

Régulation allostérique de la pyruvate kinase: Activateur allostérique: F-1,6-BP (témoin de l’activité de la glycolyse) Inhibiteurs allostériques : acétyl- CoA, ATP, Alanine et citrate Régulation covalente hormonale de la pyruvate kinase: Forme déphosphorylée active Dephosphorylation par l’insuline par l’intremédiaire d’une phosphatase Forme phosphorylée inactive Phosphorylation par le Glucagon par l’intermédiaire de l’ AMPc et protéine kinase A (PKA)

Régulation dans le foie de la pyruvate kinase. ATP ADP proteine kinase A + Glucagon OH Pyruvate Kinase (active) + ATP Phosphoenolpyruvate + ADP OPO32- Pyruvate kinase (inactive) - citrate ATP alanine Pi proteine phosphatase + Insulin Régulation dans le foie de la pyruvate kinase.

Hiérarchisation des principaux moyens de régulation métabolique Régulation allostérique: immédiate et brève (ms ou min) effecteurs formés dans la cellule influencent activité enzymatique sans modifier le site actif de l’enzyme ATP, NADH,H+ et citrate: témoins disponibilité de l’énergie, inhibent glycolyse AMP, ADP: témoins déficit énergie, activateurs glycolyse Régulation covalente, Phosphorylation- déphosphorylation: moins immédiate et moins brève (s ou min) enclenchement ou extinction de l’activité enzymatique sous l’influence d’hormones, avec amplification de la réponse au signal Glucagon: secrété quand glycémie basse, augmente concentration AMPc (signal de faim), phosphorylation et activation des enzymes clés de glycolyse Insuline: effet inverse glucagon, déphosphorylation et inhibition enzymes glycolyse Induction ou répression de gènes: à long terme (délai en heures ou jours) gènes codant les enzymes

5- Utilisation d’autres sucres dans glycolyse

6- Principales anomalies de la glycolyse

Déficit enzymatique héréditaire: déficit en pyruvate kinase érythrocytaire Dans les hématies l’ATP est utilisée pour assurer le fonctionnement de la pompe sodium (Na)-potassium (K) afin de maintenir le taux de K intracellulaire Déficit en pyruvate kinase : dédicit en ATP, la pompe NA-K est non fonctionnelle: hémolyse, ictère, anémie.

Déficit en transporteurs Déficit en GLUT2 syndrome de Fanconi-Bickel (SFB) Accumulation de glycogène dans le foie et les reins Hépatosplénomégalie Insuffisance rénale tubulaire sévère

La glycolyse Ce qu’il faut retenir

Régulation de la glycolyse: +++ Glycolyse: voie catabolique cytoplasmique 1 glucose → 2 pyruvate + 2ATP + 2NADH,H+ Devenir des produits de la glycolyse: variable en fonction conditions aérobiques ou anaérobiques de la cellule Régulation de la glycolyse: +++ Intéresse réactions irréversibles Enzymes clés: HK, PFK 1, et PK