Glucides : dégradation du glucose
Glycolyse ou voie d'Embden-Meyerhof
Phase finale

La glycolyse, qui se déroule entièrement dans le cytosol, est divisée en deux phases principales :

• une phase dite préparatoire qui conduit du glucose à deux glycéraldéhyde-3-phosphates (G3P), avec consommation d'ATP,
• une phase finale, oxydo-réduction couplée à la formation du pyruvate et d'ATP.

Toutes les réactions sont, en principe, réversibles et équilibrées, exceptées les trois réactions catalysées par des kinases qui sont fortement énergétiques et nécessitent d'autres systèmes enzymatiques pour être inversées :

• l'hexokinase ou la glucokinase, qui phosphoryle le glucose en glucose-6-phosphate (réaction 1) ;
• la phosphofructokinase, qui phosphoryle le fructose-6-phosphate en fructose-1,6-bisphosphate (réaction 3) ;
• la pyruvate kinase (pK), qui transfère le groupe phosphate du phosphoénolpyruvate (PEP) à l'ADP pour former de l'ATP et du pyruvate (réaction 10).

Phase finale de la glycolyse

Cette deuxième phase de la glycolyse comprend des réactions d'oxydo-réduction et de phosphorylation permettant la régénération de l'ATP.

6. Oxydation phosphorylante du glycéraldéhyde-3-phosphate

L'oxydation du glycéraldéhyde-3-phosphate (GADP) en 1,3-bisphosphoglycérate (1,3BPG) couple une phosphorylation à une déshydrogénation.

$\ce{Glycéraldéhyde-3 phosphate + NAD+ + Pi}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{1,3-bisphosphoglycérate + NADH + H+}$

Cette réaction est catalysée par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (triose phosphate déshydrogénase ou G3PDH), EC 1.2.1.12.

• Cette enzyme est composée de quatre sous-unités identiques, chacune contenant une molécule de NAD+.
• Un groupe thiol ou sulfhydryle ($\ce{R−SH}$), par sous-unité, est essentiel pour la fonction catalytique de l'enzyme.

La réaction peut se décomposer en plusieurs stades successifs :

1. une réaction d'oxydo-réduction :

• réaction du groupe aldéhyde ($\ce{−CH=O}$ avec un groupe thiol ou sulfhydryle ($\ce{R−SH}$) et formation d'un thiohémiacétal (hémiacétal lié au soufre) ;
• oxydation de ce dernier en thioester ($\ce{R–S–CO–R'$} grâce à l'intervention du NAD+ lié à l'enzyme, ce qui produit un acylthioester qui possède une liaison riche en énergie, i.e. exergonique ($\ce{\Delta G'0}$ d'environ -12 kcal.mole^-1), ce qui apporte l'énergie à la réaction suivante ;

2. une phosphorylation avec transfert du groupe acyle ($\ce{R–C=O$}) sur une molécule de phosphate minéral, réaction i.e. endergonique ($\ce{\Delta G'0}$ d'environ +12 kcal.mole^-1) ;

3. la formation d'un anhydride mixte (acylphosphate), le 1,3-bisphosphoglycérate, composé " riche en énergie ".

7. Formation du 3-phospho-D-glycérate (3PG)

Le groupe phosphate de l'anhydride mixte (acylphosphate) 1,3-bisphospho-D-glycérate est transféré à l'ADP pour former de l'ATP et du 3-phospho-D-glycérate (3PG).

$\ce{1,3-bisphospho-D-glycérate + ADP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{3-phospho-D-glycérate + ATP}$

Cette réaction est catalysée par la phosphoglycérate kinase (PGK1), EC 2.7.2.3.

Cette réaction est fortement exergonique, ce qui lui permet de déplacer l'équilibre en faveur de la formation du 3-phosphoglycérate.

L'ensemble des deux réactions précédentes, i.e. oxydation du groupe aldéhyde ($\ce{−CH=O}$) du glycéraldéhyde-3-phosphate et formation couplée d'ATP à partir d'ADP et phosphate, est appelé oxydation phosphorylante liée au substrat.

Remarque : Le 3PG sert aussi de précurseur à la synthèse de la sérine.

8. Isomérisation en 2-phosphoglycérate

Le 3-phospho-D-glycérate (3PG) est isomérisé en 2-phospho-D-glycérate (2PG).

$\ce{3-phospho-D-glycérate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{2-phospho-D-glycérate}$

Cette réaction est catalysée par la phosphoglycérate mutase (PGM), EC 5.4.2.11.

• Son mécanisme serait comparable à celui de la phosphoglucomutase, impliqué dans la transformation du glucose-1-phosphate libéré lors de la glycogénolyse.
• Le phosphate final n'est pas le même que le phosphate initial et il se forme un intermédiaire, le 2,3-bisphosphoglycérate (2,3-BPG).

$\ce{3-phospho-D-glycérate + enzyme-His-N-P}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{2,3-bisphosphoglycérate + enzyme-His-NH}$
$\leftrightharpoons$ $\ce{3-phospho-D-glycérate + enzyme-His-N-P}$

9. Formation de phosphoénolpyruvate (PEP)

Le 2-phospho-D-glycérate (2PG) est déshydraté pour former le phosphoénolpyruvate (PEP).

$\ce{2-phospho-D-glycérate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{phosphoénolpyruvate + H2O}$

La réaction est catalysée par l'énolase ou phosphopyruvate hydratase (EC 4.2.1.11). et a recours à deux ions $\ce{Mg++}$

• un dans la déshydratation,
• l'autre pour une coordination avec le groupe carboxyle ($\ce{-C(=O)OH}$) du 2PG pour que le site soit bien positionné.

10. Formation du pyruvate

Réaction

1. Le groupe phosphate du phosphoénolpyruvate (PEP) est transféré à l'ADP pour former de l'ATP et du pyruvate.

$\ce{Phosphoénolpyruvate + ADP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{énolpyruvate + ATP}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{pyruvate}$

2. Cette réaction passe par un composé intermédiaire, l'énolpyruvate, qui subit une tautomérisation, pour former du pyruvate, et dépend :

• d'une enzyme, la pyruvate kinase,
• d'un co-facteur, l'ion $\ce{Mg++}$,
• d'ions $\ce{K+}$ pour stabiliser le phosphoénolpyruvate.

Cette phosphorylation au niveau du substrat est possible grâce au $\ce{\Delta G'0}$ d'environ -14,8 kcal.mole^-1 de l'ester phosphorique d'énol qu'est le PEP.

Pyruvate kinase (PK)

Cette réaction est catalysée par la pyruvate kinase (PGK1), EC 2.7.1.40, qui existe sous 4 isoformes.

Isoformes L et R

Deux isoformes allostériques sont régulées de manière réversible :

• PKL, L pour " liver ", foie, mais aussi retrouvé dans les reins et l'intestin grêle,
• PKR, R pour " red " globules rouges ou érythrocytes.

1. La forme active de PKR est un homotétramère dont chaque sous-unité est constituée de quatre domaines :

• un petit domaine N-terminal ;
• les domaines A et C, impliqués dans les interactions interdomaine ;
• le domaine B.

Les sites de liaison du phosphoénolpyruvate et de l'ADP sont situés dans une fente entre les domaines A et B et contiennent les cofacteurs (ions $\ce{Mg++}$ et $\ce{K+}$), essentiels pour la catalyse.

2. La PKR se présente sous deux conformations.

a. La conformation R dite relâchée, qui désigne donc la conformation et non pas la PKR, est caractérisée par une forte affinité pour le substrat (Structures of pyruvate kinases display evolutionarily divergent allosteric strategies 2014).

• C'est la forme activée de la pyruvate kinase qui est sous forme tétramérique.
• Elle est activée par le phosphoénolpyruvate (PEP) et le fructose-1,6-bisphosphate, favorisant la voie glycolytique.

En effet, le domaine C de la pyruvate kinase contient des sites de liaison allostériques.

• En l'absence de fructose-1,6-bisphosphate, la PK est sous forme monomérique.
• En présence de fructose-1,6-bisphosphate , la PK se tétramérise et devient catalytiquement active.
• PKR, PKL et PKM2, mais pas PKM1, sont régulés de cette manière.

b. La conformation T dite tendue est caractérisée par une faible affinité pour le substrat.

• C'est la forme inactivée de la pyruvate kinase, sous forme dimérique et phosphorylée.

• 

  Elle est inhibée par l'ATP et l'alanine qui provient du cycle de Krebs ou l'acétyl-CoA, favorisant ainsi la glunéocogenèse.

3. Les régulations indirectes sont l'œuvre de réactions de phosphorylation-déphosphorylation de la pyruvate kinase.

Elles économisent la survenue de cycles " futiles " ou cycles du substrat, cycles qui se produisent lorsque deux voies métaboliques se déroulent simultanément dans des directions opposées, dans ce cas glycolyse et gluconéogenèse.

4. L'isozyme PKL (foie) est régulée au niveau transcriptionnel et post-transcriptionnel en réponse à diverses hormones (Nutrient and hormonal regulation of pyruvate kinase gene expression 1999).

a. Dans le foie, le glucagon et l'épinéphrine activent la protéine kinase A (PKA), qui, à son tour, phosphoryle et désactive la pyruvate kinase, i.e. la glycolyse peut être inhibée en période de pénurie de glucose.

L'activité de la PKA est dépendante des taux cellulaires d'AMP cyclique (AMPc), d'où son autre nom de protéine kinase dépendante de l'AMPc (EC 2.7.11.11).

b. Par contre, la sécrétion d'insuline, suite à l'élévation de la glycémie, active la protéine phosphatase I (PPI), provoquant la déphosphorylation et l'activation de la pyruvate kinase.

c. Le glucagon et l'insuline modulent également la transcription de la PKL.

Isoformes M

Les isoformes dites musculaires (M) sont :

• PKM1, retrouvée dans les muscles, mais aussi le cœur et le cerveau, qui n'est pas régulée ;
• PKM2, isoforme embryonnaire retrouvée dans les tissus précoces et remplacée progressivement par les autres isoformes.

PKM1 et PKM2 ne diffèrent que de 21 acides aminés, région composée de deux hélices alpha impliquées dans les contacts des sous-unités, déplaçant PKM1 vers une conformation plus active.

Bilan énergétique de la glycolyse