Régulation de la voie de la glycolyse SV3 Faculté des Sciences de Bizerte Régulation de la voie de la glycolyse SV3

sommaire 1. La voie de la glycolyse 2. Cycle de Krebs 1.1. En anaérobie (fermentation) 1.2. En aérobie (respiration) 2. Cycle de Krebs 3. Chaine respiratoire 4. Régulation de la voie de la glycolyse 4.1. La régulation allostérique 4.1.1. L’hexokinase 4.1.2. La phosphofructokinase 4.1.3. La pyruvate kinase 4.2. La régulation hormonale

1. La voie de la glycolyse

- La Glycolyse est une voie métabolique d'assimilation du glucose et de production d'énergie. Elle se déroule dans le cytoplasme de la cellule dans des conditions anaérobique. - La glycolyse est la dégradation d’une molécule de glucose (6 carbones) en 2 molécules d’acide pyruvique ( 3 carbones) et 2 molécules d’ATP.

Cytoplasme Membrane cytoplasmique noyau Glucose

1. Cycle de la glycolyse Cytoplasme P Glucose Pyruvate ATP Hexokinase Pyruvate kinase ADP ADP Glucose 6- P PEP Phosphogluco isomérase H2O Enolase Fructose 6- P Cytoplasme 2 Glycerate P ATP Phosphofructo kinase ADP Phosphoglycero -mutase Fructose 1,6 di P Pi Aldolase NAD+ NADH,H+ ADP ATP Dihydroxyacétne 3 Glycerate Glycéraldéhyde 3 1-3 di glycérate P P Triose-P-isomérase P P GA3PDH Phosphoglycero kinase

Bilan énergétique 2 acides pyruviques 2 ATP 2 NADH,H+ 2ADP 2 NAD+ 2Pi glucose Comment les NADH,H+ sont-ils réoxydés ? Que devient l’acide pyruvique ?

glycolyse Cytoplasme Membrane cytoplasmique noyau 2 Acides pyruviques Glucose 2 Acides pyruviques glycolyse Suite :la fermentation dans le cytosol (conditions anaérobies)

1.1. Cas d’anaérobie - La fermentation correspond à une dégradation partielle du substrat (glucose) en absence de dioxygène. Elle se déroule entièrement dans le cytosol. L’acide pyruvique produit lors de la glycolyse (1ère étape de la fermentation) est alors réduit en lactate (acide lactique) par du NADH,H+ dans les muscles.

Il existe plusieurs types de fermentation dont la fermentation alcoolique et la fermentation lactique: Le produit final de la fermentation alcoolique (réalisée chez des levures par exemple) est de l’éthanol. Les cellules musculaires humaines utilisent la fermentation lactique lorsque l’oxygène est rare (au tout début d’un effort physique intense).

LDH: Lactate déshydrogénade 2 acides pyruviques 2 NADH,H+ LDH: Lactate déshydrogénade 2 NAD+ 2 acides lactiques

Bilan simplifié de la fermentation (lactique) glucose 2 ADP+2Pi 2 acides lactiques 2 ATP la fermentation est un catabolisme faiblement énergétique : la dégradation partielle d’une molécule de glucose permet la synthèse de 2 ATP.

1.2. Cas d’aérobie (Respiration) Membrane cytoplasmique Cytoplasme noyau Glucose 2 Acides pyruviques

2. Le Cycle de Krebs

2.1. Décarboxylation du pyruvate La décarboxylation du pyruvate, ou décarboxylation oxydative, est la réaction chimique catalysée par le complexe pyruvate déshydrogénase reliant la glycolyse au cycle de Krebs en convertissant le pyruvate en acétyl-CoA : Pyruvate  + CoA-SH + NAD+  →  NADH + H+ + CO2 + Acétyl-CoA Chez les eucaryotes, cette réaction se déroule exclusivement dans la matrice mitochondriale.

2.2. Cycle de Krebs Le cycle de Krebs, également appelé cycle de l'acide citrique, est une voie métabolique produisant des intermédiaires énergétiques (NADH,H+ et FADH2) conduisant à la production d'ATP à travers la chaîne respiratoire. Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice mitochondriale des eucaryotes et dans le cytoplasme des bactéries, en conditions aérobies (présence d'oxygène).

Le cycle comporte 8 réactions enzymatiques nécessaires pour la complète oxydation de l’acétyl-CoA (C2) et la récupération de l’énergie sous forme de NADH, FADH2 et GTP. NADH et FADH2 sont des molécules réduites riches en énergie utilisées en suite pour la production d’ATP. 1 GTP = 1 ATP Un autre substrat, l'oxaloacétate (C4) est utilisé par la première réaction et entièrement régénéré par la dernière.

Bilan du cycle de Krebs: Acétyl-CoA + 3 NAD + FAD + GDP+ Pi + 2 H2O  2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA

Le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs

3. La chaine respiratoire

La transformation de l’énergie du NADH et FADH2 en ATP est réalisée par le processus appelé « phosphorylation oxydative » au niveau de la chaine respiratoire. La chaîne respiratoire ou chaîne de transport d'électrons est localisée dans la membrane interne des mitochondries. Chaque mitochondrie contient des milliers d'exemplaires de la chaîne de transport d'électrons. La chaîne respiratoire est un ensemble de complexes protéiques qui assurent un transfert de protons et/ou d'électrons vers un accepteur final d’électrons l’oxygène.

La chaîne respiratoire est constituée de quatre complexes protéiques : - complexe I : NADH-coenzyme Q oxydoréductase, - complexe II : succinate-coenzyme Q oxydoréductase, - complexe III : coenzyme Q-cytochrome c oxydoréductase, - complexe IV : cytochrome c oxydase. - Le coenzyme Q (ubiquinone) et le cytochrome c sont des transporteurs mobiles de la chaîne respiratoire.

Une grande partie de l'énergie produite dans le cycle de Krebs se retrouve contenue dans le NADH et le FADH2 ; elle sera convertie en ATP dans la mitochondrie : les coenzymes réduits mitochondriaux cèdent leurs deux électrons à un système de transporteurs qui, par une cascade de réactions d'oxydo-réduction, amène ces électrons jusqu'à l'accepteur final, l'oxygène moléculaire. La membrane interne est imperméable aux ions H+, cependant, au cours de ce transfert électronique, il y a formation d'un gradient de protons de part et d'autre de cette membrane, ce qui permet la synthèse d'ATP lors d'une réaction catalysée par l'ATP synthase mitochondriale. La respiration et la phosphorylation de l'ADP sont donc couplées via ce gradient de protons.

3.1. L’ATP Synthase Le retour des protons dans la matrice ne peut se produire qu'au niveau de passages spécifiques constitués par l'ATP synthase (complexes F0,F1) : Fo est un canal transmembranaire qui laisse passer sélectivement les protons, F1 contient le site catalytique responsable de la synthèse de l'ATP à partir d'ADP et de Pi.

Le rapport P/O est le nombre d'ATP synthétisés par atome d'oxygène réduit. On a longtemps considéré que le transfert de deux électrons du NADH à l'oxygène produisait environ 3 ATP, et que celui du FADH2 générait environ 2 ATP. Cependant, la valeur réelle de ce rapport n'est pas nécessairement un nombre entier et prête encore à discussion. En particulier, la translocation, c'est-à-dire l'échange d'un ATP sortant contre un ADP entrant, peut contribuer à ce que le rapport P/O soit un nombre fractionnaire : les valeurs adoptées par consensus sont 2,5 ATP par NADH oxydé et 1,5 ATP par FADH2 oxydé.

Le NADH de la glycolyse donne moins d’ATP que celui du cycle de Krebs parce que son transport dans la mitochondrie demande de l’énergie.

3.2.LE BILAN ENERGETIQUE La glycolyse en conditions anaérobies libère 2 ATP et 2 NADH par glucose fermenté. La réaction de décarboxylation du pyruvate en Acétyl coenzyme A libère 2 NADH par molécule de glucose. Le cycle de Krebs libère (par molécule de glucose) - 6 NADH - 2 FADH2 - 2 GTP L’oxydation complète d’une molécule de glucose produit environ 36 ATP. On peut trouver différentes valeurs pour ce bilan (entre 30 et 38 ATP).

4. Régulation de la voie de la glycolyse

La régulation du métabolisme permet aux êtres vivants de maintenir leurs constantes physiologiques comme par exemple la température. Elle permet également aux êtres vivants de répondre aux stimulus et d'interagir avec leur environnement.

La phosphofructokinase (PFK) Les réactions irréversibles sont souvent les lieux de LA régulation: les 3 sites de régulations se situent au niveau des 3 enzymes allostériques catalysant les réactions irréversibles : L'hexokinase La phosphofructokinase (PFK) Pyruvate kinase

4.1. La régulation allostérique

4.1.1. L’Hexokinase L'inhibition de la PFK1 entraîne, en amont par voie de conséquence, l'élévation de la teneur en glucose 6–P . Ce dernier est un effecteur négatif de l'hexokinase mais il est sans effet sur la glucokinase hépatique.

4.1.2. La PFK1 - Effet de Pi : Une forte concentration en Pi provoque une activation de la PFK

- Effet de l’ADP L’ADP est un activateur de la PFK1

- Effet de l’ATP : L'ATP est un cas particulier : c'est l'un des deux substrats de la PFK mais c'est aussi un effecteur. En effet la PFK-1 possède : *Un site de fixation de l'ATP en tant que substrat (effet homotrope) *Un site de fixation en tant qu'effecteur (effet hétérotrope)

La dégradation des acides aminés aboutit à la production de citrate qui est un intermédiaire du cycle de Krebs. Or le citrate est : *Un inhibiteur de la PFK-1. *Un inhibiteur de la PFK-2 : il y a donc moins de Fructose 2,6- Bi P synthétisé. - Effet du citrate P

- Effet du NADH Au cours de la glycolyse, le NADH est produit par la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase. A forte concentration, le NADH inhibe l'activité de la PFK.

6. Effet de la PFK2 Le Fructose 2,6 biP est activateur de la PFK2. Le citrate est un inhibiteur de la PFK2 et de la PFK1.

La pyruvate kinase est un homotétramère d'une masse de 235.000 Da. Elle est : *Activée par le fructose 1,6-bisphosphate et le PEP   * Inhibée par l'ATP.

- - - + + - GLUCOSE HEXOKINASE GLUCOSE 6- p FRUCTOSE p PFK2 Phosphofructo- Kinase 1 (PFK-1) Fructose 2.6 Bis ATP - Citrate - + Fructose 1.6 Bis p + PHOSPHONOLPYRUVATE ATP Pyruvate kinase - PYRUVATE

4.2. La régulation Hormonale

Phosphofructokinase 1(PFK-1) GLUCOSE Insuline + Glucagon- Hexokinase GLUCOSE 6-P FRUCTOSE 6-P Insuline + Glucagon- Phosphofructokinase 1(PFK-1) PFK2 - FRUCTOSE 1,6-BISP PEP Insuline + Glucagon- Pyruvate kinase PYRUVATE