Cours 1 – Le métabolisme du glucose

Chapitre 4 :
Le metabolisme du glucose
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Les molécules énergétiques de l’organisme

Le métabolisme
o
La glycolyse
o
La transformation du pyruvate
o
Le cycle de Krebs
o
Chaîne de transport des électrons
o
Résumé du métabolisme du glucose
o
Le glycogène
o
La glycogénogénèse et la glycogénolyse
o
Autre sources
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Les réserves d’énergie dans l’organisme

L’insuline et le glucagon
o
Le pancréas
o
L’insuline
o

Production d’insuline

Actions sur les glucides

Récepteurs à glucide

Action sur les lipides

Action sur les protéines
Le glucagon

Action sur les glucides

Action sur les lipides

Action sur les protéines
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1) Molécules énergétiques de l’organisme
La molécule la plus riche en énergie est le NADH (nicotinamide adénine dinucléotide)
La transformation du NADH en NAD+, libère de l’énergie alors que la réaction inverse permet
d’emmagasiner cette dernière. En fait, c’est une réaction chimique qui met en jeu des électrons
qui permet le transfert d’énergie.
La seconde molécule est l’ATP (adénosine triphosphate)
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La transformation de l’ATP en ADP libère de l’énergie. L’addition d’un troisième groupement
phosphate (le phosphate ) requière de l’énergie. Cette énergie est libérée lorsque ce phosphate
est enlevé. La conversion ATP en ADP est le mécanisme principal de transfert d’énergie.
Équations :
2) Le métabolisme
Tous les processus qui apparaissent au sein d’une cellule vivante sont mis en action grâce à une
énergie puisée dans le monde extérieur. La voie la plus habituelle de dégradation des composés,
les aliments dans notre cas, consiste à les oxyder (les brûler de façon contrôlée). L’énergie
emmagasinée dans les unités d’énergie (NADH ou ATP) peut alors être utilisée dans des
processus d’élaboration, de réparation ou de maintien de l’homéostasie. On regroupe toutes les
réactions se déroulant à l’intérieur de la cellule sous le nom de métabolisme. Un ensemble de
réactions métaboliques successives aboutissant à la production d’un composé biologique ayant
une fonction indispensable pour l’organisme qui les réalise se nomme voie métabolique. Une voie
métabolique est constituée de plusieurs réactions catalysées par des enzymes diverses.
Chacune de ces enzymes peut éventuellement participer à plusieurs voies métaboliques.
Les voies métaboliques sont souvent (pour ne pas dire toujours) catalysées par des enzymes.
Une enzyme est une protéine. Les protéines enzymatiques sont des catalyseurs, c'est-à-dire
qu'en agissant à des concentrations très petites, elles augmentent la vitesse des réactions
chimiques, sans en modifier le résultat. À la fin de la réaction, la structure de l'enzyme se
retrouve inchangée. Une enzyme donnée est spécifique d'une réaction, c'est-à-dire qu'elle
catalyse toujours la même transformation, se produisant sur les mêmes corps chimiques initiaux.
La classification ou nomenclature des enzymes est relativement simple. Des règles ont été
établies et le nom d’une enzyme doit caractériser la réaction chimique qu’elle catalyse. On
sépare les enzymes en six grandes classes.
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1. Oxydoréductases : qui catalysent des transferts d'électrons et de protons d’un donneur à un
accepteur.
2. Transférases : qui catalysent les transferts de groupements.
3. Hydrolases : qui catalysent des réactions d'hydrolyse (coupure des liens C-C, C-O, C-N et
autres par de l’eau).
4. Lyases : qui catalysent l'addition de groupes à des liens doubles ou l'inverse.
5. Isomérases : qui catalysent le transfert de groupes dans une même molécule pour produire
des formes d’isomères.
6. Ligases : qui forment des liens C-C, C-S, C-O et C-N lors de réactions de condensation
couplées à l'utilisation d'ATP.
La nomenclature des enzymes n'est pas totalement standardisée mais, par convention, elle se
compose le plus souvent d'un radical proche du substrat ou du produit de la catalyse suivit du
suffixe "ase".
Exemples:
 Le glucose oxydase est une enzyme qui catalyse l'oxydation du glucose.
 L'amidon synthétase catalyse la synthèse de l'amidon.
Le présent chapitre s’attardera aux voies métaboliques concernant la transformation d’une
molécule en énergie. On peut schématiser ce métabolise de différentes façons.
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2,1 La glycolyse
Le glucose est une molécule qui contient 686 kcal par mole d'énergie qui peut être libérée par
oxydation. La glycolyse est la première étape du processus de respiration cellulaire. Elle a lieu
dans le cytosol de nombreux types de cellules animales. Au cours de la glycolyse, la
transformation du glucose suit une séquence de neuf réactions catalysées par des enzymes qui
produisent deux molécules de pyruvate. La glycolyse ne se produit pas spontanément : deux
molécules d'ATP sont nécessaires à la phosphorylation du glucose pour produire l'intermédiaire
réactif. La glycolyse produit quatre ATP (pour une production nette de 2), deux NADH et deux
pyruvates. Les deux molécules de pyruvate produites contiennent encore la majorité de l'énergie
chimique du glucose. En fait, la glycolyse ne convertit qu'environ 2% de l'énergie du glucose en
ATP. Les animaux qui peuvent exploiter l'énergie contenue dans le pyruvate auront donc un
avantage important.
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2,2 La transformation du pyruvate
Le pyruvate formé peut subir d’autres transformations. Selon la molécule créée, son utilisation
servira à produire plus ou moins d’énergie. En présence d'oxygène, la plupart des cellules
animales vont dégrader le pyruvate en dioxyde de carbone et en eau au cours de trois étapes :
l'oxydation du pyruvate, le cycle de Krebs, et la phosphorylation oxydative (chaîne de transport
des électrons). Cependant, l'oxygène n'entre réellement en action qu'à la toute dernière étape de
la chaîne de transport des électrons.
Une mole de pyruvate peut être oxydée en libérant 271.5 kcal d'énergie libre. À l'étape
d'oxydation du pyruvate (réaction de conversion), les deux molécules de pyruvate sont converties
en deux molécules d'acétate. Cette réaction a lieu dans la mitochondrie et libère du dioxyde de
carbone, un déchet qui doit diffuser hors de la cellule. Le produit de cette étape est donc deux
molécules d'acétate qui vont se joindre à 2 molécules de coenzyme A pour former 2 acétyl CoA.
Cette oxydation des deux molécules de pyruvate va également produire 2 NADH.
L'acétate, une molécule à 2 carbones, peut être produit à partir de pyruvate, mais aussi à partir
de nombreux acides aminés, des parties d'acides nucléiques, et de la plupart des sucres.
Lorsque combiné à une molécule de coenzyme A, le produit (Acétyl CoA) peut ensuite être
dégradé par la troisième grande étape : le cycle de l'acide citrique.
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Lorsque l'organisme ne peut se procurer suffisamment d'oxygène, le pyruvate produit par la
glycolyse ne peut continuer à être oxydé. Dans ces conditions, une enzyme présente dans le
cytosol la lacticodéshydrogénase catalyse la conversion du pyruvate en lactate et du NADH en
NAD+. Cette régénération de NAD+ permet à la cellule de continuer la glycolyse et donc d'obtenir
de l'énergie (beaucoup moins efficacement cependant). Le lactate n'est pas métabolisé plus à
fond en conditions anaérobies et s'accumule dans la cellule. Lorsque l'oxygène redevient
disponible, ce lactate est reconvertit en pyruvate et passe par les autres étapes de la respiration
aérobie. L'oxygène utilisé pour métaboliser ce lactate correspond à une dette d'oxygène.
2,3 Le cycle de Krebs
Les graisses, les protéines et les glucides peuvent tous être transformés en acétyl CoA. Les
aliments que l’on consomme sont transformés en acétate (CH3COO-). L’acétate ne peut circuler
librement dans les cellules, il doit être couplé avec le coenzyme A (CoA) d’où le nom d’acétyl
CoA. Dans la mitochondrie, cette molécule est utilisée dans un cycle de réaction nommé cycle
de Krebs en l’honneur de Hans Krebs.
Dans le cycle de Krebs, l’acétyl CoA est complètement oxydé en dioxyde de carbone (CO 2) et en
eau (H2O). À la fin des huit étapes du cycle, pour chaque molécule d'acétyl CoA, 3 molécules de
NADH, une de FADH2, et une molécule d'ATP sont produites, et il y a production de deux
molécules de dioxyde de carbone. L'énergie contenue dans les transporteurs d'électrons NADH
et FADH2 ne sera libérée qu'à l'étape suivante par la chaîne de transport des électrons.
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2,4 La chaîne de transport des électrons
Avant d'entrer dans la chaîne de transport des électrons, une mole de glucose aura donc été
convertie en
 4 moles d'ATP (équivalent à 29 Kcal)
 10 moles de NADH (environ 520 Kcal)
 2 moles de FADH2 (environ 70 Kcal)
Ce qui correspond à environ 90% des 686 kcal initialement contenues dans le glucose. Le 10%
"perdu" est dissipé en chaleur. Mais seulement 29 kcal sont directement disponibles sous forme
d'ATP. L'essentiel de l'énergie est contenu dans les transporteurs d'électrons NADH et FADH 2.
La chaîne de transport des électrons sert à convertir toute cette énergie en ATP le plus
efficacement possible.
La chaîne respiratoire est une série de réactions d’oxydoréduction impliquant des réactions de
production d’ATP et des transporteurs d’hydrogènes mitochondriaux : cytochromes et coenzymes
réduites.
La chaîne respiratoire considérée dans son ensemble ne fonctionne qu’en milieu
aérobie. C’est l’oxygène qui oxyde les participants de la chaîne respiratoire et cette dernière ne
fonctionne que dans les cellules suffisamment oxygénées.
Les molécules de NADH et de FADH2 se dirigent vers une chaîne de transporteurs d'électrons
enchâssée dans la membrane interne de la mitochondrie. Chaque NADH cède 2 électrons au
premier transporteur qui les cède au suivant, etc. La dernière molécule de la chaîne de transport
doit céder à son tour les électrons. Comme il n'y a aucune autre molécule à sa suite, c'est un
transporteur mobile, l'oxygène, qui vient prendre les deux électrons. Il se combine ensuite à 2 H +
pour former de l'eau. Le FADH2 fait de même mais il cède ses électrons à la troisième molécule
de la chaîne.
Lorsque les électrons circulent dans la chaîne, certains transporteurs retirent des H + de la matrice
et les envoient dans l'espace intermembranaire où ils s'accumulent. Comme la concentration en
H+ augmente dans l'espace intermembranaire, les protons diffusent vers la matrice en passant
par l'ATP synthétase; c'est la chimiosmose. Se faisant, ils entraînent la formation d'ATP par
phosphorylation oxydative. Chaque NADH et FADH2 provenant du cycle de Krebs servent à
former 3 ATP et 2 ATP respectivement. Les NADH provenant de la glycolyse ne peuvent entrer
dans la mitochondrie. Ils doivent donc céder leurs électrons à des navettes qui peuvent être soit
le NAD+ ou le FAD+. Selon la navette, les NADH de la glycolyse forment 2 ou 3 ATP chacun.
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Bilan intéressant

Chaque fois qu’un NADH+ est créé dans la mitochondrie, il contribue à la synthèse de 3
ATP ainsi qu’à la consommation de ½ O2.

Chaque fois qu’un NADH+ est produit dans le cytosol, il est transformé en 2 ATP.
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2,5 Résumé du métabolisme du glucose
Bilan de la glycolyse
Bilan de la transformation du pyruvate
Bilan du cycle de Krebs
Bilan de la chaîne de transport des électrons
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2 ,6 Le glycogène
Le glycogène est un polymère de D-glucose qui peut être synthétisé ou dégradé par l’organisme.
C’est une réserve abondante d’énergie qui est stockée dans le foie ou dans les muscles.
Lors des repas, le corps transforme le glucose inutilisé en glycogène et, entre les repas, le
glycogène est hydrolysé en glucose selon les besoins en énergie. Chez l'Homme, le glycogène
est synthétisé dans les hépatocytes et les cellules musculaires. Seul le glycogène hépatique peut
être ensuite redistribué aux autres cellules de l'organisme. Le glycogène peut ainsi représenter à
lui seul 10% du poids du foie, et 1% du poids des muscles.
2,7 La glycogénogénèse et la glycogénolyse
La glycogénogénèse est la voie métabolique qui permet, dans le foie et le muscle, la synthèse du
glycogène à partir du glucose.
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La glycogénolyse est la voie métabolique qui permet, dans le foie et le muscle, la transformation
du glycogène en glucose. Dans le foie, l’enzyme glycogène phosphorylase rompt les liaisons
glycosidiques dans le glycogène et unit les extrémités rompues avec du phosphate inorganique.
Un des rôles importants du foie est de maintenir le taux de glucose dans le sang. (Le glucose est
une source essentielle pour les globules rouges du sang et le cerveau).
Les réserves de
glycogène hépatique peuvent fournir du glucose lorsque ce dernier n’est pas apporté par
l’intestin. Afin d’entrer et de sortir du foie, le glucose doit se débarrasser du phosphate.
Le muscle aussi a des réserves en glycogène, mais il les utilise pour ses propres besoins. Les
réserves de glycogène musculaire ne peuvent être utilisées par d'autres cellules de l'organisme,
car les cellules musculaires ne possèdent pas l'enzyme permettant de catalyser la réaction
donnant du glucose à partir du glucose-6-phosphate. Or seul le glucose peut sortir de la cellule
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