Glycolyse

Cours 1ière année Pharmacie 2012-2013Biochimie métabolique

Pr Sanae Bouhsain

Plan 1- Définition

2- Les réactions de la glycolyse

3- Bilan énergétique de la glycolyse

4- Régulation de la glycolyse

5- Utilisation d’autres sucres dans la glycolyse

6-Principales anomalies de la glycolyse

Conclusion

1- Définition • Glycolyse dérive du grecque glik (sucre) et lyssis (dissolution)

• Origines du glucose:– alimentaire: digestion de polysaccharides et de disaccharides– Origine métabolique:catabolisme du glycogène hépatique et

musculaire, précurseurs non glucidiques

• Voie du catabolisme oxydatif , cytoplasmique, anaérobique avec production de:– 2 molécules de pyruvate (C3)– Molécules riches en énergie (NADH,H+ et ATP)

Glycolyse

• 1940: Embden, Mayerhof et Parnas proposent la séquence des réactions de la glycolyse

• 10 réactions catalysées par 10 enzymes

• 2 phases:– Activation des réactifs: utilisation d’énergie (réaction

1 à 5)

– Oxydation et production d’enérgie (réaction 6 à 10)

2- Les réactions de la glycolyse

Réaction 1: Hexokinase

Réaction : spontanée , irreversible, réaction clé

Réaction exergonique, G = -27,2 kJ/mol

Enzyme: Hexokinase et Glucokinase

-Hexokinase: ubiquiste, non spécifique du glucose, forte affinité (faible Km), toujours active, soumise à régulation

-Glucokinase: hépatique et pancréatique, spécifique du glucose, faible affinité, n’est active qu’en période post-prandiale

Réaction 2: glucose 6-P- isomérasetransformation d’un aldose en cétose

Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphateRéaction réversible

Aldose Cétose

Réaction 3: Phosphofructokinase (PFK 1) utilise ATP

Réaction: spontanée, exergonique (G = -25,9 kJ/mol) -La Phosphofructokinase (PFK1): - enzyme clé de la glycolyse - Etape la plus lente de la glycolyse, réaction limitante - Etape majeure de régulation de la glycolyse

Réaction 4: Aldolase scission du fructose en 2 trioses

Fructose-1,6-bisphosphate 2 trioses phosphate(isomères)

+++

Aldose

Cétose

Réaction 5: Triose Phosphate Isomérase (TIM)

Dihydroxyacétone-phosphate Glycéraldéhyde-3-phosphate

Réaction 6: Glycéraldéhyde 3- phosphate déshydrogénase

Glycéraldéhyde-3-phosphate 1,3-bisphosphoglycérate

Mécanisme réactionnel couplant : oxydoréduction + transfert de phosphate

Formation de NADH, H+

Réaction 7: Phosphoglycérate kinase (PGK)

1,3-Bisphosphoglycérate 3-Phosphoglycérate

- Réaction de phosphorylation liée au substrat: Produit une molécule d’ATP

C

C

CH 2 O PO 32

O O PO 32

H O H

C

C

CH 2 O PO 32

O O

H O H

A D P A T P

1

22

3 3

1

M g 2+

1 , 3 - b i s p h o s p h o - 3 - p h o s p h o g l y c e r a t e g l y c e r a t e

P h o s p h o g l y c e r a t e K i n a s e

RappelPhosphorylation au niveau du substrat

• Processus au cours duquel de l’ATP est produit en dehors de la chaine respiratoire

• Phosphorylation de l’ADP en ATP par couplage avec une réaction d’hydrolyse d’une molécule riche en énergie

• Survient au cours du métabolisme à 3 endroits:– Glycolyse: réaction catalysée par la 3P glycéraldéhyde kinase– Glycolyse: réaction catalysée par la pyruvate kinase– Cycle de Krebs: réaction catalysée par la succinyl CoA synthétase

Réaction 8: Phosphoglycérate mutase

3-phosphoglycerate 2-phosphoglycerate

Réaction 9: Enolase

Réaction de déshydratation Mg++-dependent

C

C

C H 2 O H

O O

H O P O 32

C

C

C H 2 O H

O O

O P O 32

C

C

C H 2

O O

O P O 32

O H

2

3

1

2

3

1

H

2 -p h o s p h o g ly c e r a t e e n o la t e in t e r m e d ia te p h o s p h o e n o lp y r u v a te

E n o la s e

Réaction 10: Pyruvate Kinase

Phosphoenolpyruvate Pyruvate

C

C

CH 3

O O

O2

3

1A D P A T PC

C

CH 2

O O

O PO 32

2

3

1 C

C

CH 2

O O

O H2

3

1

p h o s p h o e n o l p y r u v a t e e n o l p y r u v a t e p y r u v a t e

P y r u v a t e K i n a s e

- Réaction exergonique irréversible

- Enzyme clé de la glycolyse

- Le phosphate est transféré à l’ADP avec formation d’ATP (Phosphorylation au niveau du substrat)

Récapitulatif des réactions de la glycolyse

Hexokinase

Phosphofructokinase

glucose Glycolysis

ATP

ADP glucose-6-phosphate

Phosphoglucose Isomerase

fructose-6-phosphate

ATP

ADP fructose-1,6-bisphosphate

Aldolase

glyceraldehyde-3-phosphate + dihydroxyacetone-phosphate

Triosephosphate Isomerase Glycolysis continued

Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase

Phosphoglycerate Kinase

Enolase

Pyruvate Kinase

glyceraldehyde-3-phosphate

NAD+ + Pi

NADH + H+

1,3-bisphosphoglycerate

ADP

ATP

3-phosphoglycerate

Phosphoglycerate Mutase

2-phosphoglycerate H2O

phosphoenolpyruvate

ADP

ATP pyruvate

2ième moitié de la glycolyse

3- Bilan énergétique de la glycolyse

1 glucose + 2 ATP + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+

2 pyruvate + 2 NADH, H+ + 2 H2O + 4 ATP

10 enzymes

La destinée de NADH et PyruvateAerobie ou anaerobie??

Reduction en ethanol

levure

Réduction en lactateOxydation mitochondriale

1 NADH --> ~3 ATP

Bilan global variable

• Condition anaérobiques: pyruvate lactate

• Condition aérobiques: mitochondrie

• Pyruvate: cycle de krebs

• NADH, H+: chaine respiratoire mitochondriale (3 ATP)

12

BILAN DE LA GLYCOLYSE• Glycolyse (-O2)

– Réactions 7 et 10 : 4ATP– Départ : Réactions 1 et 3 : dépense - 2 ATP

– Bilan net 2 ATP

• GLYCOLYSE (+ O2)– Réaction 6: 2 NADH réd.(CRM) 6 ATP– Réactions 7 et 10 : Kinase 4 ATP– Départ : Réactions 1 et 3 : dépense - 2 ATP – Bilan net 8 ATP

4- Régulation de la glycolyse

Objectif et moyens de la régulation• Piloter la glycolyse en fonction de chaque organe: foie, muscle ++++

– Gain d’énergie– Production de matériaux de biosynthèse

• Régulation intéresse les enzymes clés– Catalysent réactions fortement exergoniques– Irréversibles

• Grande importance l’étape limitante:– Catalysée par enzyme clé– Réaction la plus lente de la voie métabolique: vitesse dépendante de l’activité

enzymatique et non de la fourniture du substrat

• Moyens de régulation: transcriptionnelle, covalente, cinétique, allostérique,…..

Les étapes clés de la glycolyse

• Les enzymes catalysant des réactions très exergoniques:

– Hexokinase

– Phosphofructokinase-1 (PFK1)

– Pyruvate kinase

Glycolysis Enzyme/ReactionGo'

kJ/molG

kJ/mol

Hexokinase -20.9 -27.2

Phosphoglucose Isomerase +2.2 -1.4

Phosphofructokinase 1 -17.2 -25.9

Aldolase +22.8 -5.9

Triosephosphate Isomerase +7.9 negative

Glyceraldehyde-3-P Dehydrogenase& Phosphoglycerate Kinase

-16.7 -1.1

Phosphoglycerate Mutase +4.7 -0.6

Enolase -3.2 -2.4

Pyruvate Kinase -23.0 -13.9*Values in this table from D. Voet & J. G. Voet (2004) Biochemistry, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New York, p. 613.

glucose-6-phosphate: inhibiteur allostérique de l’hexokinase

Hexose-6-P(G6P)

Hexokinase

ADP

ATP

Hexoses(glucose, fructose, galactose)

Pas de régulation allostérique

Feedback inhibition par glucose-6-P

Glucose

(liver; pancreas)Glucokinase

Glucose-6-P

1) Régulation de l’Hexokinase: contrôle allostérique

2- Régulation de la PFK1 contrôle allostérique

CH 2 O PO 32

O H

CH 2 O H

H

O H H

H HO

O6

5

4 3

2

1 CH 2 O PO 32

O H

CH 2 O PO 32

H

O H H

H HO

O6

5

4 3

2

1

A T P A D P

M g 2 +

f r u c t o s e - 6 - p h o s p h a t e f r u c t o s e - 1 , 6 - b i s p h o s p h a t e

P h o s p h o f r u c t o k i n a s e

PFK1: Étape limitante glycolyse+++

- Inhibiteurs allostériques: ATP, citrate

- Activateur allostérique: Fructose 2,6 biphosphate (F2,6BP)– Provient du fructose 6 P– Enzyme bifonctionnelle PFK2:

• Une partie PFK2 (phosphofructokinase 2)• Une partie F2,6BPase2 (fructose 2,6 biphosphatase)

Enzyme bifonctionnelle dephosphoryléepar proteine phosphatase:PFK-2 - activeFBPase-2 - inactive

fructose-6-phosphate

fructose-2,6-bisphosphate

ATP

ADP

fructose-6-phosphate

Enzyme bifonctionnelle – phosphorylée (par proteine kinase A):FBPase-2 - active PFK-2 - inactive

fructose-2,6-bisphosphate

H2O

Pi

Le choix entre le deux fonctions est contrôlé par phosphorylation de l’enzyme PFK2.++++

Formes interconvertibles du PFK2Passage de la forme phosphorylée à la forme déphosphorylée: contrôle hormonal

• Dans le foie:– Forme dephosphorylée, à activité PFK2 (active)– Forme phosphorylée, à activité F2,6BPase

• En période post prandiale, L’insuline:– active la phosphodietérase, déphosphorylation de la PFK2 (active )– Production de F2,6BP– Activation de la glycolyse et inhibition de la gluconéogenèse.

• En période de jeûne physiologique, le glucagon:– active la PKA, formation de l’AMPc, phosphorylation de la PFK2:

inacive– déphosphorylation F2,6BP : inhibition de la glycolyse– Glucose réservé aux tissus gluco-dépendants

3- Régulation de la Pyruvate kinasecontrôles: allostérique et covalent

C

C

CH 3

O O

O2

3

1A D P A T PC

C

CH 2

O O

O PO 32

2

3

1

p h o s p h o e n o l p y r u v a t e p y r u v a t e

P y r u v a t e K i n a s e

Delta G = -27,2 kJ/mol

• Régulation allostérique de la pyruvate kinase:

– Activateur allostérique: F-1,6-BP (témoin de l’activité de la glycolyse)

– Inhibiteurs allostériques : acétyl- CoA, ATP, Alanine et citrate

• Régulation covalente hormonale de la pyruvate kinase:

– Forme déphosphorylée active• Dephosphorylation par l’insuline par l’intremédiaire d’une

phosphatase

– Forme phosphorylée inactive• Phosphorylation par le Glucagon par l’intermédiaire de l’ AMPc et protéine kinase A (PKA)

ATP ADP

proteine kinase A

+Glucagon

-citrateATPalanine

OH

PyruvateKinase(active)

Pyruvate+ ATP

Phosphoenolpyruvate+ ADP

Régulation dans le foie de la pyruvate kinase.

Pi

proteine phosphatase

+Insulin

OPO32-

Pyruvatekinase(inactive)

Hiérarchisation des principaux moyens de régulation métabolique

• Régulation allostérique: immédiate et brève (ms ou min)effecteurs formés dans la cellule influencent activité enzymatique sans

modifier le site actif de l’enzyme– ATP, NADH,H+ et citrate: témoins disponibilité de l’énergie, inhibent glycolyse– AMP, ADP: témoins déficit énergie, activateurs glycolyse

• Régulation covalente, Phosphorylation- déphosphorylation: moins immédiate et moins brève (s ou min)

enclenchement ou extinction de l’activité enzymatique sous l’influence d’hormones, avec amplification de la réponse au signal– Glucagon: secrété quand glycémie basse, augmente concentration AMPc

(signal de faim), phosphorylation et activation des enzymes clés de glycolyse– Insuline: effet inverse glucagon, déphosphorylation et inhibition enzymes

glycolyse

• Induction ou répression de gènes: à long terme (délai en heures ou jours)

– gènes codant les enzymes

5- Utilisation d’autres sucres dans glycolyse

6- Principales anomalies de la glycolyse

Dans les hématies l’ATP est utilisée pour assurer le fonctionnement de la pompe sodium (Na)-potassium (K) afin de maintenir le taux de K intracellulaire

Déficit en pyruvate kinase : dédicit en ATP, la pompe NA-K est non fonctionnelle: hémolyse, ictère, anémie.

Déficit enzymatique héréditaire: déficit en pyruvate kinase érythrocytaire

Déficit en transporteursDéficit en GLUT2Déficit en GLUT2

• syndrome de Fanconi-Bickel (SFB)

• Accumulation de glycogène dans le foie et les reins

• Hépatosplénomégalie

• Insuffisance rénale tubulaire sévère

La glycolyseCe qu’il faut retenir

• Glycolyse: voie catabolique cytoplasmique

• 1 glucose → 2 pyruvate + 2ATP + 2NADH,H+

• Devenir des produits de la glycolyse: variable en fonction conditions aérobiques ou

anaérobiques de la cellule

• Régulation de la glycolyse: +++– Intéresse réactions irréversibles– Enzymes clés: HK, PFK 1, et PK