La glycolyse

UNIVERSITE DE CONSTANTINE

FACULTE DE MEDECINE

1ERE ANNEE MEDECINE 2022-2023

Dr Belkacem Lamia

INTRODUCTION/GENERALITES

LA GLYCOLYSE

1. DEFINITION

La glycolyse est la voie du catabolisme oxydatif anaérobie du glucose en pyruvate.
Tous les enzymes catalysant cette voie sont cytosoliques.

2. INTERET

Le glucose est à la fois source d'énergie et précurseur de molécules d'intérêt biologique.
La glycolyse est source d'énergie

• En anaérobiose : du glucose jusqu'au pyruvate avec un faible rendement énergétique (2 molécules d'ATP par molécule de glucose).
• En aérobiose : du glucose jusqu'au pyruvate et au-delà avec un fort rendement énergétique 38 molécules d'ATP par molécule de glucose.

La glycolyse est précurseur de molécules d'intérêt biologique. Ex. le glycérol 3- phosphate, accepteur d'acide gras. Des intermédiaires de la glycolyse ou du cycle de l'acide citrique sont précurseurs d'acides aminés.

3. ENTREE DU GLUCOSE DANS LA CELLULE

Le glucose et les premiers intermédiaires de la glycolyse sont d'origine alimentaire et métabolique.

A. Origine alimentaire : en période postprandiale

Le glucose est le produit de la digestion de polysaccharides et de disaccharides.
Le transport du glucose à travers la membrane cellulaire, a lieu par diffusion facilitée grâce aux GLUT (GLUcose Transporters), numérotés de 1 à 5.

• 1-GLUT1 et GLUT3, dans presque toutes les cellules, en particulier neurones et GR à affinité moyenne, non insulinodépendants, ils assurent l'entrée du glucose dans les cellules en "toutes circonstances".
• 2-GLUT2, dans le foie et le pancréas (cellules ẞ), actif seulement en post prandiale lorsque la glycémie est élevée, non insulinodépendant.
• 3-GLUT4, dans les muscles striés, le cœur et le tissu adipeux, à forte affinité, insulinodépendant.

B. Origine métabolique : en période de jeûne

Le glucose est produit à partir de précurseurs non glucidiques (néoglucogenèse hépatique).
Le glucose 6 phosphate est issu du catabolisme du glycogène tissulaire (glycogénolyse hépatique et musculaire).

I. ETAPES DE LA GLYCOLYSE :

1. VUE D'ENSEMBLE DE LA GLYCOLYSE :

La glycolyse comprend deux phases de 5 réactions chacune :

• Une phase d'investissement énergétique : dépense 2 molécules d'ATP par molécule de glucose.
• Une phase de retour sur investissement : recette 4 molécules d'ATP par molécule de glucose.

2. REACTIONS ENZYMATIQUES DE LA GLYCOLYSE :

Réaction 1:

[Image: Réaction de phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate par l'hexokinase]

• Phosphorylation sur C-6 du glucose en glucose -6-phosphate (G6P).
• Consomme une molécule d'ATP par molécule de glucose.
• Limitante : étape de régulation de la glycolyse.
• Catalysée par une enzyme l'hexokinase (sauf les cellules hépatiques et les cellules ẞ du pancréas où c'est la glucokinase qui intervient, ces deux enzymes nécessitent pour fonctionner le Mg2+ ou le Mn2+.
• Une fois phosphorylé, le glucose ne peut plus franchir la membrane plasmique, elle est imperméable à toute molécules phosphorylée et sera donc utilisée par la cellule.
  La réaction est donc considérée comme irréversible.

Réaction 2:

[Image: Réaction d'isomérisation du glucose-6-phosphate en fructose-6-phosphate par la phosphoglucose isomérase]

• C'est une réaction d'interconversion : le glucose-6-phosphate (G6P) un aldose est isomérisé en un cétose le fructose -6-phosphate (F6P).
• C'est une réaction réversible.
• Enzyme : phosphohexose isomérase.

Réaction 3 :

[Image: Réaction de phosphorylation du fructose-6-phosphate en fructose-1,6-bisphosphate par la phosphofructokinase]

• C'est une réaction de phosphorylation sur le C1 du fructose 6 phosphate en fructose -1,6-bisphosphate (F1,6BP).
• Consomme une molécule d'ATP.
• C'est une réaction irréversible et constitue un point important dans la régulation de la glycolyse.
• Catalysée par la phosphofructokinase (PFK1).

Réaction 4 :

[Image: Coupure du fructose 1,6-bisphosphate en glycéraldéhyde 3-phosphate et dihydroxyacétone phosphate par l'aldolase]

Coupure d'1 Fructose 1,6-bisphosphate

• Clivage du fructose 1,6 bisphosphate en C2-C3 en :
  • Un aldose : le glycéraldéhyde 3 phosphate (GA3P).
  • Une cétose la dihydroxyacétonephosphate (DHAP).
• Réaction réversible.
• Enzyme la fructose 1,6 bisphosphate aldolase.

[Schéma: Coupure du fructose 1,6-bisphosphate en glycéraldéhyde 3-phosphate et dihydroxyacétone phosphate]

Réaction 5 :

[Image: Isomérisation de la dihydroxyacétone phosphate en glycéraldéhyde 3-phosphate par la triose phosphate isomérase]

• Isomérisation du dihydroxyacétone phosphate en glycéraldéhyde -3- phosphate.
• Enzyme : triose phosphate isomérase.
• Réaction réversible mais l'équilibre est déplacé vers la gauche.

A ce terme ; une molécule de glucose est transformée en 2 molécules de glycéraldéhyde 3- phosphate qui s'engagent chacune dans la deuxième partie de la glycolyse.

Réaction 6 :

[Image: Phosphorylation du glycéraldéhyde 3-phosphate en 1,3-diphosphoglycérate par la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase]

• Une réaction couplant la phosphorylation du glycéraldéhyde-3-phosphate en 1,3---- bisphosphoglycérate (1,3 BPG).
• Produit une molécule de NADH, H⁺ (2 molécules de NADH, H⁺ par molécule de glucose).
• Une réaction réversible.
• Enzyme : glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GA3PDH), à coenzyme NAD+.

Réaction 7 :

[Image: Schéma réactionnel de la phosphorylation de l'ADP en ATP par le 1,3-diphosphoglycérate. Le 1,3-diphosphoglycérate cède un groupe phosphate pour former de l'ATP, se transformant ainsi en 3-phosphoglycérate. La réaction est catalysée par la phosphoglycérate kinase.]

• C'est une réaction de phosphorylation de l'ADP par le 1,3 bisphosphoglycérate qui est transformé en 3-phosphoglycérate (3PG).
• Produit une molécule d'ATP (2 molécules d'ATP par molécule de glucose).
• C'est une réaction réversible.
• Enzyme : phosphoglycérate kinase (PGK).

Réaction 8 :

[Image: Schéma de l'isomérisation du 3-phosphoglycérate en 2-phosphoglycérate par la phosphoglycéromutase.]

• Isomérisation du 3 phosphoglycérate en 2 phosphoglycérate (2PG).
• C'est une réaction réversible.
• Enzyme : phosphoglycérate mutase (PGM).

Réaction 9 :

[Image: Schéma de la déshydratation du 2-phosphoglycérate en phosphoénolpyruvate par l'énolase. De l'eau est libérée.]

• Déshydratation du 2-phosphoglycérate en phosphoénolpyruvate (PEP).
• C'est une réaction réversible.
• Enzyme : énolase.

Réaction 10 :

[Image: Schéma de la phosphorylation de l'ADP en ATP par le phosphoénolpyruvate, catalysée par la pyruvate kinase. Le phosphoénolpyruvate est transformé en pyruvate.]

• Phosphorylation de l'ADP par le phosphoénolpyruvate qui est transformé en pyruvate.
• Produit une molécule d'ATP soit 2 molécules d'ATP par molécule de glucose.
• Irréversible.
• Limitante : étape majeure de régulation.
• Enzyme : pyruvate kinase.

II. BILAN ENERGETIQUE DE LA GLYCOLYSE :

À partir d'une molécule de glucose, deux molécules de pyruvate sont générées, deux molécules d'ATP sont consommées, deux NAD+ sont réduits en NADH, H⁺, quatre molécules d'ATP sont formées.

III. DESTINEES METABOLIQUES DU PYRUVATE :

Le pyruvate formé par la glycolyse a diverses possibilités de transformation :

1. En aérobiose :
   Le pyruvate pénètre dans la mitochondrie et est dégradé complètement en CO2 et H2O (oxydation) via le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire.

2. En anaérobiose :

   • Fermentation lactique :
     Lorsque l'approvisionnement de la cellule en oxygène est insuffisant, une accumulation de NADH, H⁺ dans le cytoplasme est observée. En absence de NAD+, la glycolyse s'arrêterait. La solution est la réduction du pyruvate en lactate couplée à une oxydation du NADH, H⁺ en NAD+. La glycolyse peut alors continuer.

     [Image: Schéma de la conversion du pyruvate en L-lactate, avec réduction du NADH en NAD+ catalysée par la lactate déshydrogénase.]

   • Fermentation alcoolique : chez les micro-organismes.

IV. REGULATION DE LA GLYCOSE :

L'intérêt est d'adapter la vitesse de la glycolyse aux besoins de la cellule en énergie (ATP) et en intermédiaires précurseurs de synthèse.

LES MOYENS :

La glycolyse est fonction :

• De la disponibilité cellulaire en glucose.
• De la vitesse des réactions limitantes :

Les 3 réactions limitantes de la glycolyse sont les réactions 1, 3 et 10 catalysées respectivement par l'hexokinase, la phosphofructokinase et la pyruvate kinase. La réaction limitante majeure est la réaction 3.

1. L'hexokinase :
   L'activité de l'hexokinase est soumise à un contrôle allostérique. Elle est inhibée par le glucose 6 phosphate : l'accumulation de glucose-6-phosphate ralentit le flux glycolytique.

2. La phosphofructokinase-1 :
   L'activité de la PFK1 est soumise à un contrôle allostérique :
   Elle est inhibée par :

   • Le citrate, intermédiaire du cycle de Krebs.
   • L'ATP, en tant que témoin de la satisfaction des besoins énergétiques cellulaires.

   Elle est activée par le fructose 2,6 bisphosphate (F2,6BP). Le fructose-2,6bisphosphate provient du fructose-6-phosphate (par action de la PFK2) mais il n'a qu'une fonction de régulation.

   • Dans le foie :
     Le glucagon diminue la concentration cellulaire du fructose-2,6-biphosphate ce qui ralentit la réaction fructose-6-phosphate → fructose-1,6-bisphosphate. En période de jeûne physiologique (à distance des repas), le glucagon freine la glycolyse ; il réserve ainsi le glucose aux tissus glucodépendants.
     L'insuline augmente la concentration cellulaire du fructose-2,6-bisphosphate par activation de la PFK2. En période postprandiale (après un repas), l'insuline accélère la glycolyse pour produire l'énergie et synthétiser les acides gras.
   • Dans le cœur :
     L'adrénaline augmente la concentration cellulaire en fructose-2,6-bisphosphate par activation de la PFK2 ce qui accélère la réaction fructose-6-phosphate → fructose-1,6-bisphosphate activant ainsi la glycolyse. En période d'activité, l'adrénaline est accélératrice de la glycolyse.

3. La pyruvate kinase :
   L'activité de la pyruvate kinase est soumise à un double contrôle :

   • Contrôle allostérique.

   • Phosphorylation/déphosphorylation.

   • Contrôle allostérique :
     Activée par le fructose-1,6-bisphosphate, en tant que témoin de l'activité de la glycolyse.
     Inhibée par l'acétyl coenzyme A et l'ATP en tant que témoin de la satisfaction des besoins énergétiques.

   • Contrôle par Phosphorylation/déphosphorylation :
     La pyruvate kinase hépatique existe sous 2 formes inter convertibles :

     • Une forme phosphorylée inactive.
     • Une forme non-phosphorylée active.
       Le glucagon favorise la forme phosphorylée de la pyruvate kinase, ce qui freine la glycolyse.
       L'insuline, favorise la forme active de la pyruvate kinase ce qui accélère la glycolyse.

V. ASPECTS PATHOLOGIQUES

Divers enzymatiques héréditaires ont été rapportés :

• Déficit en aldolase et en pyruvate kinase dans les GR provoque des anémies hémolytiques.
• Déficit en PFK musculaire provoque une faible capacité à l'effort particulièrement en cas de régime riche en glucides et qui est amélioré par un régime riche en acides gras.
• Déficit en pyruvate déshydrogénase : l'accumulation du pyruvate entraine une acidose lactique souvent létale, par ↑ lactate sanguins : accidents circulatoires IDM.