– UE : 7 Sciences Biologique– I) INTRODUCTION II)

2016-2017
La glycolyse
La glycolyse
– UE : 7 Sciences Biologique–
Semaine : n°1 (du 05/09/16 au
09/09/16)
Date : 09/09/2016
Heure : de 15h à 16h Professeur : Pr. Tailleux Anne
Binôme :
Correcteur : n°37
PLAN DU COURS
I)
INTRODUCTION
II)
LES DIFFERENTES ETAPES DE LA GLYCOLYSE
A)
Les différentes étapes
1)
Glc ==> Glc-6-P
2)
Glc-6-P <==> Fructose -6-P
3)
Fru-6-P ==> Fru-1,6-P
B)
Etape 2
C)
Etape 3
1)
Glycéraldéhyde-3-P <==> 1,3 Biphosphoglycérate
2)
1,3 Biphosphoglycérate <==> 3-phosphoglycérate
3)
3-phosphoglycérate <==> 2-phosphoglycérate
4)
2-phosphoglycérate <==> phosphoénolepyruvate ( PEP)
5)
phosphoénolepyruvate ( PEP) ==> pyruvate
D)
Voie de détour de la glycolyse : 2, 3 BPG
E)
Bilan énergétique de la glycolyse
III)
Principes généraux de régulation d'une voie métabolique
A)
Régulation d'une réaction enzymatique
B)
Régulation d'une voie métabolique ( dans son ensemble )
C)
Régulation de la glycolyse
1)
Régulation de l’Hexokinase/ Glucokinase
2)
La Régulation de la PFK1
3)
Régulation de la pyruvate Kinase
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I)
La glycolyse
INTRODUCTION
Quelques informations :
• Voie d'Emdben-Meyerhof : en hommage aux deux biochimistes qui ont découvert la voie de la glycolyse dans
la première partie du XXè siècle. Les moyens scientifiques étaient limités à cette époque mais elle est toujours
valable aujourd'hui.
• Voie universelle : elle est ubiquitaire à tous les organismes (même bactérie). Elle est présente dans toutes les
cellules de l'organisme et chez toutes les espèces
• C'est l'oxydation progressive d'une molécule de glucose ( 6C) en 2 molécules de pyruvate
1 Glc 6C → 2 pyruvate 3C.
• Conséquence des cette réaction
•
production d'énergie (ATP) : elle appartient au catabolisme.
•
production de molécules intermédiaires +++: ce sont des intermédiaires vont être utilisées par d'autres
voies métaboliques pour d'autres biosynthèses d'autres biomolécules
• Elle a lieu exclusivement dans le cytosol ++.
Par une succession de 10 réactions on arrive à la molécule de pyruvate. Elle est scindée en 3 grandes étapes :
–
Etape 1 : on passe du glucose au fructose 1, 6 bi-phosphate
–
Etape 2 : on passe d'une molécule à 6 carbones ( fructose 1,6 bi-phosphate) à 2 molécules à 3 carbones
(glycéraldéhyde-3- phosphate )
–
Etape 3 : extraction et production de l'énergie. On passe du glyceraldéhyde-3- phosphate au pyruvate.
Légende du schéma de la glycolyse : En bleu on a les enzymes qui catalysent chacune des réactions. On a aussi
les cofacteurs en vert. On peut voir que certaines réactions sont réversibles, et d'autres irréversibles. +++
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II)
La glycolyse
LES DIFFERENTES ETAPES
A) Etape 1
Il y a 3 sous étapes.
1)
Glc ==> Glc-6-P
C'est la phosphorylation du glucose. Elle va être phosphorylée en glucose-6-phosphate.
La phosphorylation des hexoses se fait essentiellement sur le carbone 6 ou sur le carbone 1, ici c'est sur le carbone
6. Elle se fait grâce à la molécule d'ATP qui est donneur de groupement phosphate qui va se fixer sur le C6.
Cette réaction est très importante car elle apporte 2 charges négatives ainsi le glucose chargé ne peut plus sortir
de la cellule.
Ceci est régulé par 2 enzymes : l' hexokinase et la glucokinase, qui peuvent être dans différentes cellules et
régulées différemment :
• L' hexokinase :
–
c'est une enzyme ubiquitaire
–
elle a un Km bas, donc elle a une affinité forte pour le glucose
–
faible spécificité pour le glucose ==> elle peut phosphoryler tous les hexoses, comme par exemple le
galactose
• La glucokinase :
–
elle est présente dans 2 types cellulaires : les hépatocytes +++ et les cellules béta pancréatiques (-).
–
Elle ne phosphoryle que du glucose : elle est très spécifique du glucose
–
elle a une affinité faible pour le glucose (donc un Km élevé).
–
On peut expliquer de la même manière la spécificité et l'affinité de GLUT-2 pour le glucose : Glut 2 fait
rentrer le glucose dans les hépatocytes et les cellules bêta pancréatiques puis le glucose est phosphorylé
par la glucokinase. Ainsi transporteur et enzyme ont une faible affinité pour le Glucose.
Ces kinases fonctionnent avec un ion divalent, souvent c'est l'ion magnésium ( Mg 2+ ).
Cette réaction de phosphorylation du glucose n'est pas spécifique de la glycolyse. On la retrouve aussi dans le foie
( glycogénogenèse).
2)
Glc-6-P <==> Fructose -6-P
On passe d'un aldose à une cétose. C'est une réaction réversible d'isomérisation
L'enzyme est la phosphorylase isomérase. Cette réaction ne nécessite ni de cofacteur, ni d'ATP.
3)
Fru-6-P ==> Fru-1,6-P
Le fructose-6-phosphate est phosphorylé en fructose-1, 6 bi-phosphate.
On ajoute un 2e groupement phosphate. C'est un biphosphate, ce qui est différent d'un diphosphate dans lequel
les deux groupements sont portés par un même carbone ( ici les groupements phosphate sont sur 2 carbones
distincts.)
Cette réaction consomme de l’énergie. Cette énergie provient de l'hydrolyse de l'ATP en ADP.
L'enzyme qui catalyse cette réaction est la phosphofructokinase (PFK1).
C'est la première réaction irréversible spécifique de la glycolyse. On la nomme aussi réaction d'engagement.
Au cours de cette première étape on a une consommation d'ATP.
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B)
La glycolyse
Etape 2
On va passer d'une molécule à 6 carbones à 2 molécules à 3 carbones.
1x 6 C ==> 2x 3C
On va avoir deux molécules à 3 carbones différentes :
–
Glycéraldéhyde-3-phosphates : chef de file des aldoses
–
Dihydroxyacétone phosphate (DHAP) : chef de file des cétoses
Le reste de la glycolyse se déroule à partir de la glycéraldéhyde-3-phosphate. On a une triose phosphate
isomérase qui va transformer la DHAP en glycéraldéhyde-3-phosphate pour éviter la perte d'atome de carbone.
Ainsi l'étape 3 va se produire en 2 fois.
C)
Etape 3
Elle conduit à la production d'énergie sous forme d'ATP.
1)
Glycéraldéhyde-3-P <==> 1,3 Biphosphoglycérate
La première étape sera la transformation de la glycéraldéhyde-3-phosphate en 1-3, Biphosphoglycérate.
• Il va y avoir une première réaction de phosphorylation qui va se faire non pas avec un donneur de phosphate et
d'ATP mais avec une molécule de phosphate inorganique libre ( Pi) directement.
• Il va aussi y avoir une réaction d'oxydation.
• On remarque un couplage d'une réaction d'oxydation avec une réaction de réduction.
==> C'est la réduction du cofacteur NAD+ en NADH, H+.
L'enzyme est la Glycérldéhyde -3-Phosphate-dehydrogénase (GAPDH).
La glycolyse est la cible des ions arséniate ( arsenic). En effet le groupement phosphate a une homologie de
structure avec l'ion arséniate.
Si cet ion est présent il peut prendre la place d'un phosphate et cela donnera du 1-arsénio-3-phosphoglycérate.
Ce dernier n'est pas du tout reconnu par les enzymes suivantes, donc en présence de cet ion la glycolyse va
s'arrêter là car les autres réactions n'auront pas lieu.
2)
1,3 Biphosphoglycérate <==> 3-phosphoglycérate
Le 1,3 Biphosphoglycérate est une molécule à haut potentiel de transfert de groupement phosphate. Ainsi
cette molécule va transférer un de ses groupements phosphate sur une molécule d'ADP et va ainsi produire la
première molécule d'ATP de la glycolyse.
L'enzyme est la phosphoglycérate kinase.
3)
3-phosphoglycérate <==> 2-phosphoglycérate
C'est l'isomérisation du 3-phosphoglycérate en 2-phosphoglycérate. On a un changement de position du
groupement phosphate qui est effectué grâce à une phosphoglycérate mutase.
4)
2-phosphoglycérate <==> phosphoénolepyruvate ( PEP)
On observe une déshydratation ( départ d'une molécule d'eau ) grâce à une énolase.
5)
phosphoénolepyruvate ( PEP) ==> pyruvate
Ce PEP est une deuxième molécule à haut potentiel de transfert du groupement phosphate.
On a un transfert d'un phosphate à une molécule d'ADP ainsi la deuxième molécule d'ATP de la glycolyse est
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La glycolyse
produite.
Cette dernière réaction est irréversible.
L'enzyme est la pyruvate kinase.
Le pyruvate est la forme déprotoné de l'acide pyruvique = acide alpha cétonique
D)
Voie de détour de la glycolyse : 2, 3 BiPhosphoGlycérate
Ce phénomène se passe uniquement dans les globules rouges.
Le 1,3BPG peut donner le 2,3BPG, grâce à l'action d'une enzyme, la BPG mutase. Ce 2,3 BPG peut redonner du
3PG.
Ce 2,3BPG a une grande importance dans les globules rouges : il diminue l'affinité de l'hémoglobine pour
l'oxygène. Ainsi le GR va pouvoir donner l'O2 aux organes et cellules demandeuses.
En effet il faut moduler l'affinité de l'hémoglobine pour l'oxygène du GR. Ainsi le 2,3-PGB est un un activateur
allostérique de l'enzyme mutase. Sans ce rôle activateur il y aurait un défaut de la glycolyse et donc une
diminution de la vitesse de la glycolyse.
Quand le 2,3BPG est en concentration importante, la mutase va être activer et ainsi la glycolyse va reprendre.
E)
Bilan énergétique de la glycolyse
Réaction globale :
Glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD+
2 pyruvates + 2 ATP + 2 NADH + 2H+ + 2H20
Le bilan est différent en fonction des conditions :
• En condition anaérobie et dans les cellules sans mitochondries (ex : GR), le bilan est 2 ATP/glucose ce qui est
faible. On s'arrête au pyruvate ( mais celui ci peut être encore oxydé cf condition aérobie) . Ce qui explique
pourquoi le GR demande beaucoup de glucose.
• En condition aérobie dans les cellules avec mitochondries, on obtient :
–
2 ATP/glucose par la glycolyse
–
H+ et e- de NADH : ces électrons vont passer dans les mitochondries, il va ainsi y avoir une cascade de
réaction tel que la chaine respiratoire ( cela fait aussi intervenir l'acétylcoA ainsi que le cycle de Krebs)
==> Cela conduit à un bilan d'environ 30 ATP/Glc
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III)
La glycolyse
Principes généraux de régulation d'une voie métabolique
Une voie métabolique ne doit pas être activée en permanence. ( Exemple : l'oxydation du glucose doit se produire
quand la cellule a besoin d'énergie, d'ATP, ou d'éléments intermédiaires )
A)
Régulation d'une réaction enzymatique
• Elle est fonction de la concentration en substrat : pas de substrat => pas de réaction enzymatique
• Régulation au niveau de l'enzyme : Cette régulation au niveau de l'enzyme peut se faire grâce à la quantité
d'enzyme ( qui sont des protéines )
–
régulation transcriptionnelle de la synthèse au niveau du gène codant pour cette enzyme : hormonale,
facteurs de transcription, Récepteurs nucléaires...)
=> régulation de l'ordre de l'heure(s)
–
Activité de l'enzyme
➢ Allostérie : par le substrat (activation), par le produit (inhibition), autres (ATP, AMP, citrate..)
=> régulation très rapide : milliseconde (c'est la plus rapide des régulations enzymatiques )
➢ Phosphorylation réversible : la phosphorylation peut activé ou inhibé en fonction des enzymes
régulée et cette phosphorylation peut sous la dépendance d'hormones ici l'insuline et le glucagon.
L'insuline va plutôt déphosphoryler les enzymes et pas les substrats des enzymes attention, glucagon
lui phosphoryle.
=> Régulation de l'ordre de la seconde
B)
Régulation d'une voie métabolique ( dans son ensemble )
–
Sur les réactions irréversibles
–
Souvent sur la première étape (ou 1ere étape irréversible) = point de régulation
–
Rétro-inhibition par le produit final ( inhibition de la première réaction ),
–
activation par une molécule en amont
C)
Régulation de la Glycolyse
Il existe 3 points de contrôles qui correspondent aux 3 réactions irréversibles de la glycolyse.
1)
Régulation de l’Hexokinase/ Glucokinase
Ce sont des isoenzymes mais elles ont des régulations différentes.
• L'hexokinase est inhibée par le gluco-6-phosphate. Beaucoup de gluco-6-phosphate se trouve dans la cellule
quand la glycolyse s 'engage. Il rétro inhibe sa propre production pour éviter un excès.
• La glucokinase est régulée de manière hormonale, activée par l’insuline et inhibée par le glucagon.
==> En période de jeûne, beaucoup de Glucagon est présent, ce qui provoque une préservation du glucose et donc
une inhibition de sa dégradation.
==> La glycolyse est très présente en période post-prandiale
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2)
La glycolyse
La Régulation de la PFK1 .
C'est le point de régulation principale /le plus efficace de la régulation de la glycolyse, car c'est la première
étape irréversible spécifique de la glycolyse.
Elle régule l'étape d'engagement.
La PFK1 est une enzyme allostérique
• Elle est inhibée par :
–
l’ATP : Quand la cellule a beaucoup d’ATP, il sera inutile d’en produire davantage
–
Le citrate : il vient du cycle de Krebs ce qui veut dire que la cellule produit déjà beaucoup d’énergie et
qu’il est inutile d’en produire davantage
==> cela donne lieu à une retro-inhibition
• Elle est catalysée par la fructose-2,6-biphosphate.
Le Fructose-6-phosphate est transformé en Fructose 1,6 biphosphate par la PFK1 ou Fructose 2,6-biphosphate par
la PFK2. On peut repasser du F2,6BP au F6P grâce à la fructose biphosphatase 2
Or ces deux activités enzymatiques ( PFK2 et fructose biphosphatase 2) sont portées par une seule et même
chaîne peptidique par deux activités enzymatiques localisées à deux points différents.
PFK2 et FBPase 2 = 1 protéine bifonctionnelle régulée par phosphorylation réversible
Quand l’enzyme est sous forme non phosphorylée, :
- l’activité PFK2 fonctionne
- l’activité phosphatase est inactivée.
Quand cette enzyme est phosphorylée,
- l’activité phosphatase s’exprime
- l’activité PFK2 est inhibée.
Cette phosphorylation réversible est souvent sous dépendance hormonale:
•
quand la concentration au glucose est faible dans la cellule, c’est que l’on est en présence de glucagon en
période de jeûne, or le glucagon phosphoryle une enzyme ==> Il y aura ainsi peu de 2 fructosebiphosphate dans la cellule ( et peu d'activation de PKF1)
==> la glycolyse sera ralentie
•
Au contraire, en présence de beaucoup de glucose dans la cellule, se présente une abondance de substrat
énergétique dans la cellule. Ceci se traduit par la présence d'insuline qui va déphosphorer les enzymes
.==> On aura donc un présence abondante de F2,6PB
==> la glycolyse sera active
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3)
La glycolyse
Régulation de la pyruvate Kinase
• Régulée de manière allostérique par le F 1,6 BP.
Elle sera :
–
activée par le F 1,6 BP
–
inhibée par l’ATP ainsi que par l’alanine (AA). La transamination de l'alanine produit du pyruvate, ainsi
quand il y a beaucoup d'alanine il y a beaucoup de pyruvate.
• Régulée de manière hormonale par le glucagon et l'insuline
• Ensuite se fera une régulation par phosphorylation réversible : En effet la a PK existe sous deux formes:
–
Active non phosphorylée
–
Inactive phosphorylée
→ En abondance de glc ==> bcp d’insuline ==> déphosphoryle ==> favorise la pk active ==> favorise la dernière
réaction de la glycolyse
→ A l'inverse en présence de glucagon ==> déphosphorylation ==> Pk déphosphoryler ==> inhibition de la
pyruvate kinase
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