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Glucides
Glycolyse ou voie d'Embden-Meyerhof : phase préparatoire

Sommaire
bien

La production d'énergie à partir du glucose est essentiellement assurée par la voie d'Embden-Meyerhof.

Cette voie doit son nom aux allemands biologiste et chimiste - Gustav Embden (1874-1933) et au physicien et biochimiste Otto Fritz Meyerhoff (1884-1951), qui seul fut prix Nobel de physiologie et de médecine en 1922 (loupeHistoire de la glycolyse). On y rajoute souvent le nom du biologiste soviétique Jakub Karol Parnas (1884-1945).https://en.wikipedia.org/wiki/Gustav_Embden

Gustav Embden et Otto Frritz Meyerhoff
Gustav Embden et Otto Frritz Meyerhoff

La voie d'Embden-Meyerhof-Parnas conduit au pyruvate, molécule commune à tous les organismes :

$\ce{Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi}$ $\longrightarrow$
$\ce{pyruvate + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O}$

L'avenir du pyruvate dépendra des cellules selon qu'elles fonctionnent (loupedevenir du pyruvate) :

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

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 :

Phase préparatoire de la glycolyse

Cette phase conduit à 2 molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate à partir d'une molécule de glucose.

1. Phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate

Le glucose, après pénétration dans le cytosol, est phosphorylé en position 6 (glucose-6-phosphate).

$\ce{Glucose + ATP ->[Mg++] glucose-6-phosphate + ADP + H+}$

Phosphorylation du glucose en  glucose-6-phosphate
Phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate
(Figure : vetopsy.fr)

Cette réaction, dont le co-facteur est l'ion $\ce{Mg++}$, nécessite la présence d'une kinase :

1. L'hexokinase (EC 2.7.1.1) intervient dans la plupart des tissus, en particulier dans les muscles des mammifères.

  • Elle est peu spécifique car elle phosphoryle aussi le mannose, le fructose ou la glucosamine.
  • Les isoformes de l'hexokinase (HKI, HKII et HKIII) ont une forte affinité pour le glucose (KM inférieure à 1 mM).
bien

L'hexokinase est inhibée par le glucose-6-phosphate, son effecteur, ce qui constitue une régulation essentielle de la glycolyse (louperégulation de la glycolyse).

Les interactions hexokinase/VDAC, les VDAC (Voltage Dependent Anion Channel) étant des porines, canaux de la membrane externe mitochondriale (OMM), lient la glycolyse à la phosphorylation oxydative. La liaison de HK1 au VDAC augmente l'efficacité catalytique des deux processus :

HK2
Structure de l'héxokinase 2 (HK2) humaine
(Figure : vetopsy.fr d'après Nawaz et coll)

2. La glucokinase (EC 2.7.1.2), étroitement spécifique du glucose, est essentiellement hépatique, mais aussi pancréatique, et intervient de façon efficace que lorsque le taux de glucose sanguin est élevé, par exemple après un repas(louperégulation de la glycolyse).

  • Son affinité pour le glucose est beaucoup plus faible que celle de l'hexokinase (KM égale à 10 mM).
  • Sa mutation intervient dans certains diabètes (50% des diabètes MODY - maturity-onset diabetes of the young -). 

Du point de vue hépatique,

  • lors d'hyperglycémie, le foie utilise la glucokinase pour transformer le glucose en glucose-6-P pour la glycogénogenèse (stockage du glucose sous forme de glycogène) ;
  • lors d'hypoglycémie, le glucose sera métabolisé par d'autres organes grâce à l'héxokinase car la glucokinase est inactive.

Du point de vue pancréatique, l'hyperglycémie provoque la transformation du glucose en glucose-6-P par la glucokinase, ce qui induira la sécrétion d'insuline (hormone hypoglycémiante).

La réaction de phosphorylation du glucose est fortement exergonique ($\ce{\Delta G'0}$ d'environ -4 kcal.mole-1).

  • La réaction est donc irréversible dans les conditions physiologiques.
  • La formation de glucose à partir du glucose-6 phosphate nécessite l'intervention de la glucose 6-phosphatase (EC 3.1.3.9).
bien

Le glucose-6-phosphate est le produit de départ dans la voie des pentoses phosphates, l'une des quatre voies métaboliques principales du métabolisme énergétique.

Le glucose-6-phosphate reste prisonnier de la cellule, car il ne possède pas de transporteur spécifique. Il peut également provenir :

$\ce{Glucose-1-P + enzyme-Ser-O-P}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{glucose-1-6-bisphosphate + enzyme-Ser-OH}$
$\leftrightharpoons$ $\ce{glucose-6-phosphate + enzyme-Ser-O-P}$

  • Isomérisation du glucose-6 phosphate en fructose-6-phosphate
    Isomérisation du glucose-6 phosphate en fructose-6-phosphate
    (Figure : vetopsy.fr)
    lors d'interconversions à partir d'autres oses, grâce à des transcétolases ou des transaldolases pour arriver à la glyréraldéhyde-3-phosphate (voie des pentoses et photosynthèse).

2. Isomérisation du glucose-6 phosphate 
  en fructose-6-phosphate

L'Isomérisation du α-D-glucose-6-phosphate en β-D-fructose-6-phosphate est réversible est catalysée par la glucose-6-phosphate isomérase (GPI) ou phosphohexose isomérase, EC 5.3.1.9.

$\ce{Glucose-6-phosphate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{fructose-6-phosphate}$

L'équilibre est en faveur de la formation de glucose-6-phosphate car le fructose-6-phosphate est rapidement transformé par la réaction suivante.

3. Formation de fructose-1,6-bisphosphate

Le β-D-fructose-6-phosphate est phosphorylé en β-D-fructose-1,6-bisphosphate (F1,6BP).

$\ce{Fructose-6-phosphate} + ATP$ $\longrightarrow$ $\ce{fructose-1,6-biphosphate + ADP}$

Formation de fructose-1,6-bisphosphate
Formation de fructose-1,6-bisphosphate
(Figure : vetopsy.fr)

Cette réaction, dont le co-facteur est l'ion $\ce{Mg++}$, comme la réaction de phosphorylation du glucose nécessite la présence de la phosphofructokinase 1 (PFK-1), EC 2.7.1.11).

PFK-1 fait partie des phosphofructokinases qui comprend aussi la phosphofructokinase 2 (PFK-2).

La réaction est fortement exergonique ($\ce{\Delta G'0}$ d'environ -4 kcal.mole-1) : c'est la réaction la plus lente de la glycolyse.

La phosphofructokinase est une enzyme allostérique tétramérique qui contient pour chaque protomère :

  • deux sites actifs, un pour le fructose-6-phosphate et 1 pour l'ATP,
  • un site de contrôle allostérique en fonction de divers effecteurs dont l'ATP.

Elle joue un rôle important dans le contrôle de la glycolyse (louperégulation de la glycolyse).

4. Formation des trioses phosphates

La coupure du β-D-fructose-1,6-bisphosphate conduit à deux molécules de trioses phosphates : le D-glycéraldéhyde-3 phosphate (G3P) et la dihydroxyacétone phosphate (DHAP).

$\ce{β-D-fructose-1,6 bisphosphate}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{D-glycéraldéhyde-3 phosphate + dihydroxyacétone phosphate}$

Formation des trioses phosphates
Formation des trioses phosphates
(Figure : vetopsy.fr)

Cette réaction est catalysée par la fructose-bisphosphate aldolase, ou simplement aldolase (EC 4.1.2.13).

  • La réaction est réversible ce qui permet la synthèse des hexoses à partir des trioses phosphates.
  • Au cours de la réaction, au moins chez les animaux et les plantes (aldolase de classe 1), il se forme une base de Schiff ($\ce{R2C=NR'}$) entre le groupe carbonyle ($\ce{C=O}$) du dihydroxyacétone phosphate et un groupe ε aminé d'une lysine de la protéine enzymatique : le groupe ε-aminé ($\ce{NH3+}$) est attaché au quatrième carbone, compté à partir du carbone α ou 1).
  • Cette enzyme intervient à la fois dans la glycolyse, la néoglucogenèse et le cycle de Calvin de la photosynthèse.

L'Isomérisation du glucose-6 phosphate en fructose-6-phosphate est réversible est catalysée par la glucose-6-phosphate isomérase (GPI) ou phosphohexose isomérase, EC 5.3.1.9.

5. Interconversion des trioses phosphates

Les deux trioses phosphates, le D-glycéraldéhyde-3 phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP), sont interconvertibles

$\ce{dihydroxyacétone phosphate$ $\leftrightharpoons$ $\ce{D-glycéraldéhyde-3 phosphate}$

Interconversion des trioses phosphates
Interconversion des trioses phosphates
(Figure : vetopsy.fr)

Cette réaction est catalysée par une triose phosphate isomérase (TPI or TIM), EC 5.3.1.1.

  • L'équilibre de la réaction est en faveur de la formation de dihydroxyacétone phosphate.
  • Mais, comme le G3P est transformé rapidement par la réaction suivante de la glycolyse, l'équilibre est constamment déplacé et l'isomérase peut alors assurer la transformation de la totalité du dihydroxyacétone phosphate.
bien

De ce fait, à la fin de cette phase préparatoire, deux molécules de glyréraldéhyde-3 phosphate sont formées à partir d'une molécule de glucose.

Phase finale de la glycolyse

Bibliographie
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