CHMI 3226 F - cellbiochem.ca

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
1
Destin du sucre de l’alimentation
Sucres de l’alimentation
60% amidon
30% sucrose
10% lactose
Amylase
(salive)
Amylase pancréatique
(duodénum)
Sucrase
(duodénum)
Lactase
(duodénum)
Maltose
(a-D-glucopyranosyl (1->4) b-D-glucopyranose)
Maltase
(duodénum)
Glucose
Glucose + Fructose
Glucose + Galactose
Transport dans les cellules épithéliales intestinales
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2
Glycolyse
• 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
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3
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.
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Enzymes de la glycolyse
Pyruvate kinase
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5
Première étape:
Production du glucose-6 phosphate
• La phosphorylation du
glucose prévient sa sortie de
la cellule;
• Étape irréversible dans la
cellule;
Hexokinase
or glucokinase
• Point de régulation de la
glycolyse:
– Inhibition par le G6P (inhibiteur
allostérique)
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6
Première étape:
Production du glucose-6 phosphate
•
•
Hexokinase
Glucokinase
– 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.
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– 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.
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Deuxième étape:
Isomérisation en fructose-6 phosphate
• Réaction existant
essentiellement à
l’équilibre;
Glucose-6 phosphate
isomérase
• Pas un point de
contrôle
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Troisième étape:
Production du fructose-1,6 bisphosphate
• 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
Phosphofructokinase-1
(PFK-1)
– Inhibiteur (si beaucoup d’ATP):
• F1,6BP
• citrate
• Ces contrôles permettent d’ajuster
le taux de glycolyse en fonction
des besoins;
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Quatrième étape:
Scission du F1,6biP en glycéraldéhyde 3P et dihydroxyacétone phosphate
• Réaction existant
essentiellement à
l’équilibre;
• Pas un point de
contrôle
Aldolase
• La triose phosphate
isomérase convertit
le DHAP en G3P.
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Triose phosphate
isomérase
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Cinquième étape:
Conversion du DHAP en G3P
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Tronçon triose
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Sixième étape:
Conversion du G3P en 1,3bisphosphoglycérate
• 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
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NAD(P)+ et NAD(P)H
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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+
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NAD(P)H + H+
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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.
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Sixième étape:
Catalyse par la GAPDH
1
2
4
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Sixième étape:
Conversion du G3P en 1,3bisphosphoglycérate
Pi
4
5
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Septième étape:
Conversion du 1,3 bPG en 3phosphoglycérate
• 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.
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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 1Arseno-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.
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Huitième étape:
Conversion du 3-PG en 2phosphoglycérate
• Catalysé par la Phosphoglycérate mutase;
• Se produit à l’équilibre: donc pas un point de
contrôle;
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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-).
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Dixième étape:
Formation du pyruvate à partir du PEP
• Catalysée par la
pyruvate kinase;
F1,6bP
• Réaction irréversible;
• Point de contrôle:
– Activée par le F1,6bP
• Produit 1 ATP.
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Question
• Où se retrouvera le C3 du glucose lors de
sa conversion en pyruvate? Le C5?
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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).
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Fermentation chez les
microorganismes
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Fermentation chez les animaux
(LDH)
Glucose + 2 Pi2- + 2 ADP32 Lactate- + 2 ATP4- + 2 H2O
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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).
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LDH et crise cardiaque
• LDH fonctionnelle: tétramère;
• Deux gènes produisent la LDH:
– LDHA:
• Muscle squelettique et foie
• Protéine: LDH M
H4
– LDHB:
• Cœur
• Protéine: LDH H
H2M1
• Donc: plusieurs combinaisons sont
possible, tout dépendant des
isoformes exprimées
H2M2
– Cependant: la forme H4 n’est retrouvée
que dans le coeur;
H1M3
M4
• La présence de la forme H4 dans le
sang révèle un infarctus.
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Régulation de la glycolyse
• ATP est en quantité
suffisante:
• ATP est en quantité
insuffisante:
– La glycolyse est
ralentie:
– La glycolyse est
accélérée:
• Inhibition de la PFK par
l’ATP et le citrate
• Inhibition de
l’hexokinase par le
glucose-6 phosphate
• PFK est activée par
l’AMP et le fructose 2,6bisphosphate;
• La pyruvate kinase est
activée par le F1,6bP
• Inhibition de la pyruvate
kinase par l’ATP
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Régulation de la glycolyse
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Rôles du glucose-6 phosphate
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Régulation de la glycolyse
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Régulation de la PFK1: effet de
l’AMP
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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:
F6P
– 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.
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F6P
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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 PFK1, et un ralentissement de la
glycolyse;
•
Le F6P est converti en glucose par
gluconéogenèse;
•
Le glucose peut alors être sécrété
dans le sang.
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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.
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Dégradation du fructose
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Dégradation du galactose
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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.
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Régulation de la glycolyse
1. Manque de glucose
(p.ex. après un court jeune)
a) Inhibe la glycolyse
(glucagon)
2. Apport de glucose
après un court jeune
3. Régulation de maintient
(i.e. vs statut énergétique)
a) Initialement: stimulation a) ↑ AMP: ↑ glycolyse
de la glycolyse (PFK-1,
PFK-2, Pyruvate kinase) b) ↑ ATP (↑citrate): ↓ glycolyse
b) Utilise les réserves
(glycogène)
b) Plus tard: Ralentissement
de la glycolyse (restockage des réserves de
c) Accélère la synthèse du
glycogène) (hexokinase,
glucose
PFK-1)
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