Glycolyse

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a glycolyse (γλῠκὖς «sucré»; γλῠκὖ lysis «dissolution») voie d'Embden-Meyerhof-Parnas se déroule dans le hyaloplasme (ou cytosol) de la cellule. Comme son nom l'indique elle nécessite du glucose. Cette première étape produit du pyruvate qui sera par la suite soit consommé par le cycle de Krebs (après passage dans une mitochondrie) en aérobiose, soit par fermentation en anaérobiose, où il deviendra du lactate (ou acide lactique).

La glycolyse est un mécanisme de régénération de l'ATP qui se déroule en anaérobiose (absence d'oxygène). Au cours de ce processus, on assiste à :

des réactions d'oxydo-réduction au cours desquelles un accepteur d'électrons (coenzyme NAD) est réduit:

NAD⁺ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → (NADH,H⁺)

des synthèses d'ATP par phosphorylation de l'ADP (formation de 4 molécules d'ATP, mais consommation de 2, soit au total formation de 2 molécules d'ATP : 2 ADP + 2 P_i → 2 ATP + 2 H₂O). Le symbole P_i représente ici l'ion hydrogène phosphate HPO₄²⁻ encore appelé phosphate inorganique.

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 :

C₆H₁₂O₆ + 2 NAD⁺ → 2 CH₃-CO-COOH + 2 (NADH,H⁺)

couplée à

2 ADP + 2 P_i → 2 ATP + 2 H₂O

soit au total

glucose + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ → 2 pyruvate + 2 ATP + 2 (NADH,H⁺) + 2 H₂O

(dans la réaction ci-dessus, le terme "pyruvate" désigne en toute rigueur l'acide pyruvique CH₃-CO-COOH)

[modifier] Étapes de la glycolyse

[modifier] Activation des hexoses

[modifier] Synthèse du glucose-6-phosphate

Cette réaction est irréversible. Elle est catalysée par une kinase, soit une hexokinase, non spécifique du glucose, soit une glucokinase, spécifique du glucose. On signalera que ces deux enzymes ont un <math>K_m</math> différent avec pour valeur respecive 0,1mM et 10mM. Ces deux enzymes sont Mg²⁺ dépendantes. On localise la glucokinase dans le foie et dans les cellules pancréatiques. Cette enzyme est du reste en cause dans certain type de diabète (diabètes MODY qui, pour 50% des cas, sont dus à une mutation de la glucokinase). On peut aussi noter que le glucose-6-phosphate exerce une rétroinhibition rétrocontrôle négatif sur l'hexokinase.

(Dans les images ci-dessous, le symbole P dans un cercle noir représente un groupement -O-PO₃^2-). La phosphorylation du glucose n'est pas spécifique de la glycolyse. Cette étape est aussi rencontrée dans la voie des pentoses phosphates ou pour la glycogènegénèse. Pour cette raison, il ne s'agit pas d'une étape de contrôle de la glycolyse.

[modifier] Isomérisation du glucose-6-phosphate

Il s'agit d'une isomérisation, réaction réversible catalysée par une phosphoglucoisomérase donnant, à partir de glucose-6-phosphate du fructose-6-phosphate.

[modifier] Synthèse de fructose-1,6-diphosphate

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'ATP_libre (l'ATP_libre est la forme de l'ATP non complexée au magnésium), qui est le produit final "utile" de la glycolyse. Plus la concentration en ATP_libre est importante, plus cette réaction est lente et, inversement, plus la concentration en ATP_libre est faible, plus l'enzyme est active. Il s'agit d'un système cybernétique d'autocontrôle de la glycolyse. Plusieurs modéles mathématiques de la glycolyse ont été mis au point et montrent que cette étape est la plus importante de celles qui contrôle le flux de la glycolyse.

[modifier] Formation des trioses phosphates

[modifier] Formation du D-glycéraldéhyde-3-phosphate et du dihydroxyacétonephosphate

Cette réaction est réversible et catalysée par une aldolase (groupe des lyases). (Le dihydroxyacétonephosphate est la molécule du bas).

[modifier] Isomérisation des triosephosphates

Cette réaction est réversible (catalysée par une triosephosphateisomérase) mais la réaction suivante consommant du D-glycéraldéhyde-3-phosphate, l'équilibre est déplacé dans le sens de la synthèse de ce dernier. (Dans les images suivantes, le symbole P encerclé représente un groupement -PO₃^2-).

[modifier] Récupération de l'énergie

[modifier] Synthèse du 1,3-diphosphoglycérate

Cette réaction d'oxydoréduction, réversible et catalysée par une D-glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (oxydo-réductase), conduit à la formation d'un composé riche en énergie car comportant une liaison acylthioester. Cette étape constitue le début de la seconde partie de la glycolyse. L'énergie contenue dans les liaisons riches en énergie va être utilisé pour la synthèse de l'ATP. Les coenzymes sont réduits (gain d'électrons).

Dans l'érythrocyte, une réaction catalysée par une mutase produit du 2,3-diphosphoglycérate à partir du 1,3-diphosphoglycérate, un important effecteur allostérique de l'hémoglobine (régulation de son affinité pour l'oxygène). Le 2,3-diphosphoglycérate est ensuite converti en 3-phosphoglycérate sans production d'une molécule d'ATP (relargage d'un phosphate inorganique) par la 2,3-diphosphoglycérate phosphatase, lequel suit la voie de la glycolyse.

[modifier] Synthèse de 3-phosphoglycérate et récupération d'ATP

Il y a synthèse d'ATP (récupération d'énergie), cette réaction, réversible, est catalysée par une phosphoglycératekinase (transférase).

[modifier] Synthèse du 2-phosphoglycérate

Cette réaction, réversible, est catalysée par une phosphoglycératemutase (groupe des transférases) .

[modifier] Synthèse du phosphoénolpyruvate

Cette réaction, catalysée par une énolase (groupe des lyases), réversible, conduit à la formation d'un composé riche en énergie (fonction énolphosphate), le phosphoénolpyruvate (PEP) au ΔG° = 51 kJ.mol^-1.

[modifier] Synthèse de pyruvate et récupération d'ATP

Le groupement phosphate et sa liaison riche en énergie permettent par couplage la synthèse d'une molécule d'ATP. Cette réaction, Mg²⁺ dépendante et irréversible, est catalysée par une pyruvatekinase.

[modifier] Bilan de la glycolyse

Image:Glycolyse.gif

On utilise :

1 mole de glucose
2 moles de coenzymes oxydés
2 moles d'ADP
2 moles de P_i (phosphate inorganique)

Pour produire :

2 moles de pyruvate
2 moles de coenzymes réduits
2 moles d'ATP
2 moles d'eau

on gagne egalement 4 PROTONS(H+) : 2 lorsque 2NAD+ DONNE 2NADH + 2H+ ,1 lorsque GLUCOSE devient GLUCOSE-6-PHOSPHATE et 1 lorsque FRUCTOSE-6-PHOSPHATE devient FRUCTOSE-1,6-DIPHOSPHATE

On a finalement produit 2 moles d'ATP pour lyser 1 mole de glucose. Ce bilan est faible.

[modifier] Réoxydation des coenzymes

Il est important de comprendre que la glycolyse cesse lorsque les coenzymes ne sont pas réoxydés sous la forme NAD⁺. Sans ces coenzymes, l'étape catalysée par l'enzyme D-glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase ne peut se produire, provoquant l'arrêt de la glycolyse. Il est donc crucial de régénérer ces coenzymes.

Il existe deux voies métaboliques principales pour cela : l'une ne nécéssite pas de dioxygène, et est appelée fermentation. Il en existe de plusieurs sortes : fermentation lactique (qui se produit dans le muscle non oxygéné), fermentation butyrique, alcoolique... L'autre voie de réoxydation des coenzymes nécéssite le dioxygène, qui joue le rôle d'accepteur d'électron final, est est appelée respiration, certains parlent de respiration cellulaire pour la différencier de la ventilation pulmonaire, bien que les contextes d'utilisation ne prêtent pas à confusion. Elle a lieu au niveau de la chaîne respiratoire des mitochondries. Le bilan énergétique de la glycolyse suivie de la respiration est environ 20 fois plus élevé que celui de la glycolyse suivie de fermentation.