CHMI 3226 F Biochimie II - Métabolisme

E.R. Gauthier, Ph.D. Université Laurentienne

Biochimie II – A2010 1

CHMI 3226 FBiochimie II - Métabolisme

Semaine du 20 septembre

Structure et métabolisme des glucides

2. Glycolyse



Destin du sucre de l’alimentationSucres de l’alimentation

60% amidon 30% sucrose 10% lactose

Amylase (salive)

Amylase pancréatique (duodénum)

Maltose (-D-glucopyranosyl (1->4) -D-glucopyranose)

Maltase (duodénum)

Glucose

Sucrase(duodénum)

Glucose + Fructose Glucose + Galactose

Lactase(duodénum)

Transport dans les cellules épithéliales intestinales



Glycolyse• Dégradation d’une molécule de glucose en 2 molécules de pyruvate

• Le pyruvate est par la suite acheminé vers d’autres voies métaboliques:– Conversion en lactate ou éthanol (fermentation; anaérobique)– Conversion en acétyl-CoA, lui-même convertit en H2O et CO2 dans le

cycle du citrate (aérobique)

• Output énergétique: 2 molécules d’ATP et 2 molécules de NADH

Glucose + 2 ADP + 2 NAD+ + 2 Pi

2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O



Glycolyse

• Implique les étapes suivantes:– Tronçon hexose:

• Phase d’investissement;• Phosphorylation du glucose:

empêche le glucose de sortir de la cellule;

• Coupure d’un hexose en 2 trioses;

• À ce point: consommation de 2 ATP

– Tronçon triose:• Phase payante;• modification des deux trioses

pour former le pyruvate,• Formation de 2 NADH et 4

ATP.



Enzymes de la glycolyse

Pyruvate kinase



Première étape: Production du glucose-6 phosphate

• La phosphorylation du glucose prévient sa sortie de la cellule;

• Étape irréversible dans la cellule;

• Point de régulation de la glycolyse:– Inhibition par le G6P (inhibiteur

allostérique)

Hexokinaseor glucokinase



Première étape: Production du glucose-6 phosphate

• Hexokinase– Présente dans presque toutes

les cellules– Km pour le glucose: 0.1 mM– Saturée sous des conditions

physiologiques– très sensible à l’inhibition par la

G6P

• Comme la concentration intracellulaire en glucose est très faible, le Km est suffisant pour permettre une régulation du taux de glycolyse via inhibition par le G6P.

• Glucokinase– Isoforme de l’hexokinase– Présente seulement dans les

cellules du pancréas et du foie– Km pour le glucose: 10 mM– beaucoup moins sensible à

l’inhibition par G6P;

• Comme la concentration de glucose sanguin est de 5 mM, et que le glucose entre librement dans les cellules du foie/pancréas, la glucokinase n’est donc jamais saturée;

• Les cellules du foie et pancréas répondent donc aux élévations de la concentration sanguines en glucose en augmentant la production de G6P.



Deuxième étape: Isomérisation en fructose-6 phosphate

• Réaction existant essentiellement à l’équilibre;

• Pas un point de contrôle

Glucose-6 phosphateisomérase



Troisième étape: Production du fructose-1,6 bisphosphate• Étape cruciale:

– Irréversible– Oblige le F6P à compléter la

glycolyse

• PFK-1 est un point de régulation important:– Activateurs (si manque d’ATP):

• AMP• F2,6BP

– Inhibiteur (si beaucoup d’ATP):• F1,6BP• citrate

• Ces contrôles permettent d’ajuster le taux de glycolyse en fonction des besoins;

Phosphofructokinase-1(PFK-1)



Quatrième étape: Scission du F1,6biP en glycéraldéhyde 3-

P et dihydroxyacétone phosphate• Réaction existant

essentiellement à l’équilibre;

• Pas un point de contrôle

• La triose phosphate isomérase convertit le DHAP en G3P.

Aldolase

Triose phosphate isomérase



Cinquième étape: Conversion du DHAP en G3P



Tronçon triose



Sixième étape:Conversion du G3P en 1,3-

bisphosphoglycérate• Étape payante de la glycolyse:

– Génération de NADH: produira beaucoup d’ATP– Génération de 1,3 bPG: composé riche en énergie qui mènera à la

production d’ATP à l’étape suivante.

• Catalysée par la glycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénase (GAPDH)

• Cofacteur crucial: NAD+/NADH



NAD(P)+ et NAD(P)H



NAD(P)+ et NAD(P)H• L’oxidation/réduction de métabolites par le NAD/NADPH se

fait toujours deux électrons à la fois;

• En biochimie:

•Réduction: gain de H+

•Oxydation: perte de H+

• Les enzymes déshydrogénases transfèrent un ion hydride (H:-) d’un substrat vers l’anneau pyridine du NAD/NADP;

• La réaction globale est:

NAD(P)+ + 2e- + 2H+ NAD(P)H + H+



NAD(P)+ et NAD(P)H

• Les déshydrogénases peuvent donc, avec le NAD+/NADH, oxyder ou réduire des molécules;

• Le NADH sert dans le catabolisme et mène à la synthèse de beaucoup d’ATP;

• Le NADPH est plutôt utilisé dans les réactions anaboliques.



Sixième étape:Catalyse par la GAPDH

1

2

4



Sixième étape:Conversion du G3P en 1,3-

bisphosphoglycératePi

4

5



Septième étape:Conversion du 1,3 bPG en 3-

phosphoglycérate• Catalysé par la Phosphoglycérate kinase;• Ce type de réaction (où un composé riche en énergie [ici

le 1,3-bPG] mène à la production d’ATP) est appelé phosphorylation au niveau du substrat.

• Se produit à l’équilibre: donc pas un point de contrôle;• Mène à la production d’une molécule d’ATP.



Pourquoi l’arsenic est-il si toxique?

• L’arsenic est très similaire au phosphore: • As formera de l’arsenate (AsO4

-3), qui prendra la place du phosphate dans la réaction catalysée par la GAPDH, formant le 1-Arseno-3-phosphoglycérate

• Comme le 1-Arseno-3-phosphoglycérate est instable, il formera spontanément le 3-phosphoglycérate, empêchant la production d’ATP à l’étape catalysée par phosphoglycérate kinase;

• La conséquence ultime est que la production nette d’ATP par la glycolyse est nulle.



Huitième étape:Conversion du 3-PG en 2-

phosphoglycérate• Catalysé par la Phosphoglycérate mutase;• Se produit à l’équilibre: donc pas un point de

contrôle;



Neuvième étape:Conversion du 2-PG en phosphoénolpyruvate

• Catalysé par l’énolase;• Se produit à l’équilibre: donc pas un point de contrôle;• Produit le PEP, un composé riche en énergie;• L’énolase est inhibée par les ions fluorure (F-).



Dixième étape:Formation du pyruvate à partir du PEP

• Catalysée par la pyruvate kinase;

• Réaction irréversible;

• Point de contrôle:– Activée par le F1,6bP

• Produit 1 ATP.

F1,6bP



Question

• Où se retrouvera le C3 du glucose lors de sa conversion en pyruvate? Le C5?



Destin du pyruvate• En présence d’oxygène (conditions

aérobiques), le pyruvate entre dans le cycle de l’acide citrique, pour être converti en CO2, H2O, et beaucoup d’ATP.

• En absence d’oxygène (conditions anaérobiques), le pyruvate suit une voie alternative (fermentation) où il est converti en éthanol (chez les microorganismes) ou en lactate (le muscle, érythrocytes, cornée de l’oeil).

• La fermentation a les conséquences suivantes:

– ne produit pas d’ATP (autres que ceux déjà obtenus par la glycolyse);

– et sert à obtenir du NAD à partir du NADH produit par la glycolyse (et donc à s’assurer que la glycolyse ne manquera pas de NAD).



Fermentation chez les microorganismes



Fermentation chez les animaux

Glucose + 2 Pi2- + 2 ADP3-

2 Lactate- + 2 ATP4- + 2 H2O

(LDH)



Déficience en LDH

• Maladie héréditaire (autosomale récessive) affectant particulièrement les muscles;

• Résulte en une réduction de la capacité à utiliser le glucose: exercice en conditions anaérobiques est impossible;

• Intolérance à l’exercice, épisodes de myoglobinurie (urine de couleur rouille, indiquant la dégradation du tissu musculaire).



LDH et crise cardiaque• LDH fonctionnelle: tétramère;• Deux gènes produisent la LDH:

– LDHA:• Muscle squelettique et foie• Protéine: LDH M

– LDHB: • Cœur• Protéine: LDH H

• Donc: plusieurs combinaisons sont possible, tout dépendant des isoformes exprimées

– Cependant: la forme H4 n’est retrouvée que dans le coeur;

• La présence de la forme H4 dans le sang révèle un infarctus.

H4

H2M1

H2M2

H1M3

M4



Régulation de la glycolyse

• ATP est en quantité suffisante:– La glycolyse est

ralentie:• Inhibition de la PFK par

l’ATP et le citrate

• Inhibition de l’hexokinase par le glucose-6 phosphate

• Inhibition de la pyruvate kinase par l’ATP

• ATP est en quantité insuffisante:– La glycolyse est

accélérée:• PFK est activée par

l’AMP et le fructose 2,6-bisphosphate;

• La pyruvate kinase est activée par le F1,6bP






Rôles du glucose-6 phosphate






Régulation de la PFK1: effet de l’AMP



PFK-1Régulation par le F2,6BP

• Le F2,6BP est un puissant activateur de la PFK-1;

• Produit par la PFK-2:– 2 types d‘activité enzymatique:

• phosphorylation du F6P (PFK2)– Inhibée par le citrate

• déphosphorylation de F2,6BP (F2,6 phosphatase)

– Inhibée par le F6P

• En cas de grande consommation de glucose, le G6P augmente, menant à davantage de F6P;

• Le F6P augmentera considérablement la concentration de F2,6bP de deux façons:

– Activation de la PKF-2– Inhibition de l’activité phosphatase de la

F2,6 phosphatase;• Donc: quand le glucose est en quantité

suffisante: la glycolyse est stimulée par l’activation de la PFK-1 par le F2,6bp. F6P

F6P



PFK-1Rôle du glucagon

• Glucagon: hormone pancréatique sécrétée lorsque le taux sanguin de glucose est trop bas;

• Le glucagon agit en stimulant la phosphorylation de la PFK-2. Ceci a deux conséquences

– Inhibition de l’activité kinase– Stimulation de l’activité

phosphatase

• Ceci conduit à une diminution de la concentration de F2,6bP, une diminution de l’activité de la PFK-1, et un ralentissement de la glycolyse;

• Le F6P est converti en glucose par gluconéogenèse;

• Le glucose peut alors être sécrété dans le sang.



L’effet Pasteur

• Sous des conditions anaérobiques, la conversion du glucose en pyruvate est beaucoup plus élevée qu’en conditions aérobiques;

• L’effet Pasteur est un ralentissement de la glycolyse en présence d’oxygène;

• Plus d’ATP est produit en conditions aérobiques qu’en conditions anaérobiques: donc la cellule a besoin de consommer moins de glucose en présence d’oxygène afin de produire son ATP.



Dégradation du fructose



Dégradation du galactose



Le 2,3 biphosphoglycérate• Produit en abondance dans les

globules rouges;

• Régulateur allostérique (inhibition) de l’oxygénation de l’hémoglobine;

• Produit via la biphosphoglycérate mutase:

– diversion de la glycolyse – 20% du flux de la glycolyse est

ainsi dévié pour produire le 2,3bPG

– Activation par un manque d’oxygène (hypoxie) causée par l’anémie, la cigarette et la haute altitude.

– Conséquence: facilite la relâchement de O2 dans les tissus lorsque la pO2 est plus faible que la normale;

– Méchanisme qui permet à la cellule de s’adapter à des changements chroniques de pO2.




1. Manque de glucose(p.ex. après un court jeune)

2. Apport de glucoseaprès un court jeune

3. Régulation de maintient(i.e. vs statut énergétique)

a) Inhibe la glycolyse (glucagon)

b) Utilise les réserves (glycogène)

c) Accélère la synthèse du glucose

a) Initialement: stimulation de la glycolyse (PFK-1, PFK-2, Pyruvate kinase)

b) Plus tard: Ralentissement de la glycolyse (re-stockage des réserves de glycogène) (hexokinase, PFK-1)

a) ↑ AMP: ↑ glycolyse

b) ↑ ATP (↑citrate): ↓ glycolyse

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