Glycolyse

La glycolyse ( glykýs « sucré » et lýsis « libération ») ou voie d'Embden-Meyerhof-Parnas est une voie métabolique d'assimilation du glucose et de production d'énergie. Elle se déroule dans le cytoplasme (ou cytosol) de la cellule. Comme son nom l'indique elle nécessite du glucose et permet de produire du pyruvate. Ce dernier peut soit entrer dans le cycle de Krebs, qui se déroule dans la mitochondrie des eucaryotes ou le cytoplasme des bactéries en aérobiose, soit être métabolisé par fermentation en anaérobiose, pour produire par exemple du lactate ou de l'éthanol.

Principe général La glycolyse est un mécanisme de régénération d'ATP qui ne nécessite pas d'oxygène. Au cours de ce processus, on assiste à : des réactions d'oxydoréduction au cours desquelles un accepteur d'électrons (coenzyme NAD) est réduit :

NAD + 2 H + 2 e− → NADH + H.

des synthèses d'ATP par phosphorylation d'ADP (formation de quatre molécules d'ATP, mais consommation de deux molécules d'ATP, soit au total formation nette de deux molécules d'ATP) :

2 ADP + 2 P + 2 H → 2 ATP + 2 .

Le symbole P représente ici le phosphate inorganique , ou hydrogénophosphateBiologie moléculaire de la cellule par Harvey Lodish, Arnold Berk, Paul Matsudaira, James Darnell, Chris A. Kaiser, Pierre L. Masson - page 301..

La glycolyse se traduisant par la réduction de coenzymes, elle s'accompagne donc de l'oxydation de molécules organiques. On peut dire qu'elle correspond à l'oxydation du glucose en pyruvate :

glucose + 2 NAD → 2 + 2 (NADH + H),

couplée à :

2 ADP + 2 P + 2 H → 2 ATP + 2 ,

soit au total

glucose + 2 ADP + 2 P + 2 NAD → 2 pyruvate* + 2 ATP + 2 (NADH + H) + 2 .* Le pyruvate désigne en toute rigueur la base conjuguée de l'acide pyruvique .

D-glucose Pyruvate class=skin-invert-image + 2 ADP + 2 P + 2 NAD+ class=skin-invert-image 2 class=skin-invert-image + 2 ATP + 2 (NADH+H+) + 2

vignette|Le pyruvate produit par la glycolyse peut être utilisé de différentes manières : chez lez animaux, en présence d'oxygène, il est oxydé et produit de l'eau et du . Si l'oxygène est en quantité limitée, il est converti en lactate ou éthanol. La glycolyse est d'une importance cruciale pour l'organisme car c'est la voie principale du métabolisme du glucose. Elle est l'unique source métabolique de l'énergie pour le cerveau, les muscles squelettiques se contractant rapidement ou les érythrocytes, sauf en période de jeûne prolongé ou d'activité physique prolongée. En effet, dès que les réserves en glycogènes hépatiques seront terminées, le corps dégradera ses lipides pour relâcher dans le sang des acides gras libres et du glycérol, qui seront transformés par béta-oxydation en corps cétoniques. Ce seront alors ces corps cétoniques qui iront nourrir le cerveau et le reste du corps. Une fois produit, le pyruvate peut suivre plusieurs voies métaboliques suivant les conditions du milieu.

Dans la plupart des tissus, quand l'oxygène est abondant, le pyruvate s'oxyde en perdant le groupe carboxyle sous forme de CO, et l'unité à deux carbones restant rentre dans le cycle de l'acide citrique puis subit des phosphorylations oxydatives, dans un processus appelé respiration cellulaire.

Sinon en absence d'oxygène, le pyruvate peut être réduit en lactate grâce à l'oxydation couplée du NADH+H en NAD. Ce processus nommé fermentation lactique, se rencontre aussi chez certains micro-organismes, comme les bactéries lactiques utilisées dans la fabrication du yaourt.

Enfin, chez des micro-organismes comme les levures et dans les tissus de certaines plantes, le pyruvate peut être réduit en alcool éthylique (éthanol), là aussi avec oxydation couplée du NADH en NAD. C'est la fermentation alcoolique.

Étapes de la glycolyse vignette|Schéma des 3 phases de la glycolyse ; Pi représente le groupe phosphate

La série de 10 réactions de la glycolyse peut se décomposer en trois phases : Phase 1 : le glucose, une espèce à 6 atomes de carbone C, est d'abord phosphorylé en position C et C (réactions 1, 2 et 3) ; Phase 2 : il est ensuite clivé en deux molécules à trois carbones sous forme de glycéraldéhyde-3-phosphate (réactions 4 et 5) Phase 3 : l'énergie investie dans les phosphorylations est enfin récupérée sous forme d'ATP (réactions 6 à 10).

</div>Étapes de la glycolyse Glucose D-Glucose-6-phosphate β-D-Fructose-6-phosphate β-D-Fructose-1,6-bisphosphate Dihydroxyacétone phosphate D-Glycéraldéhyde-3-phosphate D-Glycéraldéhyde-3-phosphate 45px|class=skin-invert-image ATP ADP 55px|class=skin-invert-image 60px|class=skin-invert-image ATP ADP 65px|class=skin-invert-image 50px|class=skin-invert-image 50px|class=skin-invert-image 50px|class=skin-invert-image NAD + P NADH + H 43px|class=skin-invert-image 35px|class=skin-invert-image 43px|class=skin-invert-image 43px|class=skin-invert-image + 35px|class=skin-invert-image 35px|class=skin-invert-image NAD + P NADH + H

Phase 1 : Activation des hexoses par phosphorylations successives Phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate Cette réaction nécessite un cation Mg2+ comme cofacteur et consomme une molécule d'ATP pour phosphoryler chaque molécule de glucose. Elle contribue à maintenir la concentration en glucose relativement basse dans le cytoplasme afin de faciliter l'entrée de molécules de glucose supplémentaires. De surcroît, le glucose-6-phosphate ne peut plus quitter la cellule, car la membrane plasmique n'a pas de transporteur pour cette molécule.

{| align="left" |- align="center" valign="middle" | 100px|class=skin-invert-image | + ATP → ADP + H+ + | 110px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Glucose

| Glucose-6-phosphate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Hexokinase –

redresse=1.25|vignette|Synthèse du α--Glu-6-P.

Cette réaction est irréversible. Elle est catalysée par une kinase, soit une hexokinase, non spécifique du glucose qui, chez les mammifères, se trouve le plus souvent dans le muscle, soit une glucokinase, spécifique du glucose. Ces deux enzymes ont des constantes de Michaelis (K) différentes avec pour valeurs respectives et en sachant que la K est inversement proportionnelle a l'affinité de l'enzyme pour ses substrats. Ces deux enzymes sont Mg2+ dépendantes. Chez l'homme, la glucokinase est localisée dans le foie et dans les cellules pancréatiques. En effet, cette dernière est parfaitement adaptée à la fonction de stockage du foie (elle fonctionne principalement lors d'afflux de glucose importants, après un repas par exemple, et contribue ainsi à la régulation de la glycémie). Un dysfonctionnement de cette enzyme est donc responsable de certains types de diabète (diabètes MODY qui, pour 50 % des cas, sont dus à une mutation de la glucokinase).

La phosphorylation du glucose n'est pas spécifique de la glycolyse. Cette étape sert également de point de départ dans la voie des pentoses-phosphates ou pour la glycogénogenèse.

Remarque : toutes les réactions qui ont une variation d'enthalpie libre élevée sont irréversibles, et comme cette phosphorylation est énergétiquement très favorisée, la réaction est irréversible. C'est pourquoi ces enzymes sont très régulées afin d'éviter l'emballement du système, à l'instar des deux autres étapes irréversibles de la glycolyse pyruvate-kinase). L'hexokinase est notamment inhibée par son propre produit, le glucose-6-phosphate (rétroaction négative), et son expression génique est induite par l'insuline. La glucokinase n'est quant à elle pas inhibée par le glucose-6-phosphate, mais son expression génique est induite par l'insuline.

Isomérisation en fructose-6-phosphate Le α-D-glucose-6-phosphate produit au cours de la glycolyse est isomérisé en β-D-fructose-6-phosphate par la glucose-6-phosphate isomérase (GPI) ou phosphohexose isomérase. Cette réaction est réversible, et demeure orientée vers la droite en raison de la concentration en Fru-6-P, maintenue assez faible en raison de sa consommation immédiate par l'étape suivante de la glycolyse.

{| align="left" |- align="center" valign="middle" | 100px|class=skin-invert-image

| 150px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Glucose-6-phosphate

| Fructose-6-phosphate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Glucose-6-phosphate isomérase –

Phosphorylation en fructose-1,6-bisphosphate Le β-D-fructose-6-phosphate (Fru-6-P) produit au cours de la réaction précédente est phosphorylé en β-D-fructose-1,6-bisphosphate (Fru-1,6-BP) par la phosphofructokinase-1 (PFK-1) à partir d'une molécule d'ATP, convertie en ADP. Cette consommation d'énergie rend cette étape irréversible, et constitue un point de régulation majeur de la vitesse de la glycolyse. Un cation Mg2+ intervient comme cofacteur.

{| align="left" |- align="center" valign="middle" | 150px|class=skin-invert-image | + ATP → ADP + H+ + | 150px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle" | Fructose-6-phosphate

| Fructose-1,6-bisphosphate |- align="center" valign="middle" | colspan="3" bgcolor="ffffd0" | Phosphofructokinase-1 –

redresse=1.5|vignette|Formation du β--fructose-1,6-bisphosphate.

Il existe, essentiellement chez des organismes autres que les animaux, des enzymes différentes capables de phosphoryler le fructose-6-phosphate à partir de pyrophosphate inorganique au lieu d'ATP. C'est le cas de la diphosphate fructose-6-phosphate 1-phosphotransférase (PFP), qu'on trouve chez de nombreuses plantes, certaines bactéries, des archées et des protistes. De rares archées possèdent une variante de la phosphofructokinase utilisant, cette fois, de l'ADP et non de l'ATP.

Cette réaction, catalysée par une phosphofructokinase (PFK) est irréversible et Mg2+ dépendante. Cette enzyme catalyse la première étape qui soit spécifique de la glycolyse. Elle est très fortement régulée de manière allostérique par l'ATPlibre (l'ATPlibre est la forme de l'ATP non complexé au magnésium), qui est le produit final « utile » de la glycolyse. Plus la concentration en ATPlibre est importante, plus cette réaction est lente et, inversement, plus la concentration en ATPlibre est faible, plus l'enzyme est active. Il s'agit d'un système d'autocontrôle de la glycolyse. Plusieurs modèles mathématiques de la glycolyse ont été mis au point et montrent que cette étape est la plus importante de celles qui contrôlent le flux de la glycolyse.

L'inhibition par l'ATP est réversible par l'AMP, ce qui permet de garder un rapport ATP/AMP constant.

Mais elle est surtout régulée par le fructose-2,6-bisphosphate : en effet, la production de fructose-2,6-bisphosphate à partir du fructose-6-phosphate a pour seule fonction de mettre en évidence une saturation de la voie en fructose-6-phosphate (« trop plein »), car le fructose-2,6-bisphosphate n'a pas de devenir métabolique. Par allostérie, le fructose-2,6-bisphosphate active donc la phosphofructokinase-1 afin de stimuler la consommation de fructose-6-phosphate et ainsi empêcher sa propre formation.

Phase 2 : Clivage du fructose-1,6-bisphosphate en deux molécules de glycéraldéhyde-3-phosphate Clivage en glycéraldéhyde-3-phosphate et dihydroxyacétone phosphate Le β-D-fructose-1,6-bisphosphate est clivé par une lyase, la fructose-bisphosphate aldolase, en D-glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et dihydroxyacétone phosphate (DHAP).

{| align="left" |- align="center" valign="middle" | 150px|class=skin-invert-image

| 75px|class=skin-invert-image | + | 75px|class=skin-invert-image |- align="center" valign="middle"

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