11-anabolisme des oses
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L’ANABOLISME Gluconéogenèse et synthèse du glycogène Cas des cellules animales 1 ANABOLISME (INTRODUCTION) L'anabolisme se définit comme le métabolisme servant à synthétiser les molécules dont l'organisme a besoin. A l'inverse du catabolisme, l'anabolisme des systèmes aérobies procède en général par réduction. Les déshydrogénases utilisent très souvent le NADPH. L'anabolisme d'une molécule de réserve à partir d'une autre, ne peut correspondre exactement à la séquence inverse de celle permettant la dégradation. En effet la réaction bilan d'un métabolisme est toujours très exergonique. La même série de réactions s'effectuant en sens opposé est globalement impossible. INTRODUCTION ANABOLISME La comparaison des voies cataboliques et anaboliques permet de mettre en évidence trois cas de figures différents : Les voies anaboliques totalement différentes. et cataboliques sont Les deux voies utilisent les mêmes enzymes pour toutes les réactions réversibles. Seules, les étapes irréversibles sont différentes. Exemple glycolyse, gluconéogenèse Les chaînons métaboliques sont voisins, mais beaucoup d'enzymes diffèrent dans leurs structures ; de plus, les deux métabolismes sont localisés en général dans des compartiments différents : exemple spirales anabolique et catabolique de Lynen 2 Gluconéogenèse Bilan - localisation La gluconéogenèse est la synthèse du glucose et des autres oses par réduction de composés hydroxycarbonés à l’exception de CO2 (1) Les oses constituent la principale réserve de carbone et d’énergie et sont en grande partie trouvés dans la nourriture • Commentaires • (1) La synthèse d’oses à partir de CO2 n’intervient que chez les plantes et les microorganismes photosynthétiques. Par contre la gluconéogenèse est commune à tous les organismes. • 3 Bilan - localisation La principale source de substrat est le pyruvate et/ou le lactate La gluconéogenèse est localisée dans le cytosol Cet anabolisme est très proche de la glycolyse Seules les étapes irréversibles sont remplacées par d’autres réactions (ou système de réaction) aboutissant du point de vue du substrat à la transformation inverse (2). Commentaires • (2) Il est évident que la réaction bilan est différente. Rappel glycolyse (Les étapes irréversibles sont Indiquées en rouge) CHO Glucose (4) Aldolase OH Glycéraldéhyde-3P H CH2OP CHO OH DHP O H OH OH (5) CH2OH CH2OP CH2OH Isomérase NAD+ ATP Gluckonase (6) (1) ou Hexokinase G3PDH NADH ADP COOP CHO H OH Glycérate1-3P H OH CH2OP HO H ADP H OH G6P Glyc.-3P kinase (7) ATP H OH COOCH2OP H OH Glycérate-3P H HO H H (2) CH2OH O HO H G6P isomérase CH2OP Isomérase(8) COOFructose-6P (F6P) H OP Glycérate-2P OH CH2OH OH Enolase (9) CH2OP H2O ATP COO(3) Phosphofructokinase Phosphoénolpyruvate (PEP) ADP OP CH2OP CH2 O ADP Pyruvate kinase(10) HO H ATP H OH F1-6P COOCOO (11) H OH Pyruvate H OH Lactate O CH2OP CH3 CH3 + NADH NAD H H Lactate DH 4 Réactions irréversibles de la glycolyse La glycolyse comprend 3 étapes irréversibles correspondant aux enzymes suivantes : – Glucokinase (ou hexokinase) : Glucose + ATP G6P + ADP (∆∆G’°= -15 kJ) – Phosphofructokinase : F6P + ATP F1-6P + ADP (∆∆G’°= -15 kJ) – Pyruvate kinase : PEP + ADP Pyruvate + ATP (∆∆G’°= -30 kJ) • Commentaires • Les valeurs des ∆G’°sont arrondies par simplification. Les valeurs r éelles sont respectivement -17, -14, -31 kJ. Réactions correspondantes de la gluconéogenèse Glucose-6P Glucose : G6P phosphatase (G6Pase) G6P Glucose + P (∆ ∆G’°= -15 kJ) (2) Fructose1-6P F6P : F1-6P phosphatase (F1-6Pase) F1-6P F6P + P (∆ ∆G’°= -15 kJ) Synthèse du PEP Schéma simplifié ADP ATP ATP ADP + P GTP GDP COOCOOCOOC OP C O C O CH3 CH2 CO2 CO CH2 2 COOPyruvate carboxylase PEP carboxykinase 5 Synthèse du PEP à partir du pyruvate Description complète La pyruvate carboxylase n’est présente que dans la mitochondrie ADP ATP Cytosol Cytosol Mitochondrie ATP ADP + P NADH NAD+ COOCOOCHOH Pyruvate C O CH2 CH2 CO2 COO COO COOC O CH3 Pyruvate GTP GDP COOOAA C OP CH2 CO2 NAD+ NADH Malate Malate OAA Pyruvate carboxylase MDH MDH PEP carboxykinase Le pyruvate et le malate sont seuls capables d’être transportés, ce qui explique l’intervention de MDH dans les deux compartiments. H HO H H P G 6Pa se H HO H H CHO G lu cose OH H OH DHP OH C H 2O H A TP G luc konase ADP Aldolase G lyc éraldé hyde -3P C H 2O P O C H 2O H o u Hex okinase H Isom érase H O H G 6P OH C H 2O P C y tosol Comparaison Glycolyse-Gluconéogenèse NADH H COOP O H G lycé ra te1 -3P C H 2O P A DP Glyc.-3P kin ase A TP COO O H G lycé ra te-3P C H 2O P - H G 6 P iso m érase HO H H C H 2O P NAD+ G 3P D H CHO OH C H 2O H O HO H Fructose-6 P (F6 P) H OH H OH C H 2O P P A TP F16P ase CHO OH Iso m érase H COOO P G lycé ra te-2P C H 2O H M itochondrie H2O En ola se G D P G TP N A D H N A D + COOCO O H OH OAA M a la te OP CH2 C H 2 PEP carboxyk inase M DH M a la te COOADP P yru vate k in ase (1 0) NA D+ M D H A TP COONADH COOPyruva te O Pyruvate O CH3 A TP A D P C H 2 CO ONADH OAA L actate DH + Pyru vate carbo xylase NAD COO- P hosp ho fructokinase ADP C H 2O P O H O H F1-6P OH C H 2O P PEP Lac tate H OH CH3 6 Bilans comparés de la glycolyse et de la gluconéogenèse • Glycolyse (anaérobie) Glucose +2 ADP + 2 P 2 lactate + 2 ATP ∆G’°<0 • Gluconéogenèse (à partir du lactate) 2 lactate + 6 ATP Glucose + 6 ADP + 6 P ∆G’°<0 La réaction bilan peut se décomposer ainsi : 2 lactate + 2 ATP Glucose +2 ADP + 2 P (inverse de la glycolyse) 4 ATP 4 ADP + P Les 4 ATP consommés en plus rendent la gluconéogenèse irréversible dans le sens inverse de la glycolyse. Régulation • L’activité des enzymes contrôlant les étapes irréversibles (enzymes clés) de la glycolyse (GK, PFK, Pyruvate K) et de la gluconéogenèse (F1-6Pase, G6Pase) dépend de la concentration de substrats intracellulaires ou extracellulaires (hormones) • Ceci permet, selon l’état physiologique, d’activer soit la glycolyse, soit la gluconéogenèse. Exemple Une concentration élevée d’ATP intracellulaire ( ex : cellule hépatique au repos) provoque l’activation de la G6Pase et la F1 F1--6Pase et l’inhibition de la GK GK, de la PFK et de la PK. PK A l’inverse, une concentration élevée d’ADP et d’AMP intracellulaire (cellule hépatique en fin d’activité anabolique) provoque l’inhibition de la G6Pase et la F1-6Pase et l’activation de la GK, de la PFK et de la PK. Il en résulte que – lorsque la cellule est en déficit d’ATP (donc d’énergie), la glycolyse (et donc le cycle de Krebs) sont activés. – lorsque la cellule dispose d’une forte concentration d’ATP, elle déclanche la gluconéogenèse. 7 Autres gluconéogenèses La réaction de synthèse du PEP mise en évidence ci-avant est la décarboxylation de l’OAA cytosolique obtenu par oxydation du malate. Tout substrat permettant la synthèse de malate peut être utilisé comme source de néoglucogenèse. C’est le cas des intermédiaires du cycle de Krebs à l’exception de l’acétylCoA. L’acétylCoA n’entre dans le cycle de Krebs qu’en réagissant avec de l’OAA pour former du citrate. CH3COSCoA OAA Citrate 2 CO2 Synthèse de 2 CO2 et régénération de l’OAA. Il n’y a donc pas synthèse d’OAA ou de malate. Donc il ne peut pas y avoir de néoglucogenèse. Synthèse du glycogène Structure du glycogène 8 Synthèse du glycogène Importance du glycogène Glycogène Contrairement au glycogène, les acides gras ne peuvent pas être transformés en glucose Glucose Glycolyse Pyruvate Les acides gras fournissent de l’énergie seulement en présence d’oxygène Acides gras Acétyl-CoA Cycle de Krebs Synthèse du glycogène Formation du glucose-1P Glucose-6P Glucose-1P Enzyme: Phosphoglucomutase 9 Synthèse du glycogène Formation de l’UDP- glucose Glucose-1P + UTP UDP-Glucose + PPi Enzyme: UDP-glucose pyrophosphorylase Synthèse du glycogène Ajout de glucose sur la chaine (n résidus de glucose UDP-Glucose-1P + n résidus glc UDP + (n+1) résidus glc Enzyme: Glycogène synthase 10 Synthèse du glycogène Formation ramification • Des transférases ramifient la chaîne en transférant une dizaine de glucose prélevée par rupture de liaison 1- 6 en bout de chaîne et en les condensant sur le carbone 6 d’un glucose précédent. Synthèse du glycogène Allongement de la chaîne par formation de liaison 1-4 G6P,G1P isomérase Glucose-6P Glycogène synthase Glycogène Gn+1 Transférase Glucose-1P Glucose-1UDP UTP PP 2P Glycogène Gn Remarque : • La dégradation du glycogène forme directement du Glucose-1P de façon irréversible. La synthèse remplace ce chaînon par une séquence de réactions transformant le glucose1P en Glucose-UDP qui sert de source de glucose pour former le glycogène. •Ceci permet l’inversion de la séquence. Glycogène synthase G6P,G1P isomérase Transférase Glycogène Gn+1 Glucose-6P Glucose-1P Glucose-1UDP UTP PP 2P Glycogène Gn Glycogène Gn Glycogène phosphorylase 11 Bilans comparés de la synthèse et de la dégradation du glycogène • Dégradation du glycogène (Gn) en glucose-6P Gn + P Gn-1 + G6P • Synthèse du glycogène à partir du G6P Remarque préliminaire : L’allongement d’un motif glucose du glycogène transforme un UTP en UMP et PP. La régénération de l’UTP consomme 2 ATP UDP UMP ATP ADP ATP UTP ADP Le bilan est donc le suivant : Gn-1 + G6P + 2 ATP Gn + 2 ADP + P • La dégradation du glycogène par transfert est irréversible. • La consommation de 2 ATP au cours de la synthèse permet à cette transformation inverse d’être également irréversible. 12
