ULaval:MED-1200/Biochimie et métabolisme/Métabolisme des glucides

Introduction

Glycolyse

Glycolyse au repos

Voici les caractéristiques générales.

• Substrats : Glucose, Adénosine diphosphate (ADP), Nicotinamide adénine dinucléotique (NAD+), Phosphate inorganique (Pi)
• Enzymes : Hexokinase pour les myocytes et autres, Glucokinase (hépatocytes), Phosphofructokinase (PFK), Pyruvate kinase, Lactate déshydrogénase (LDH)
• Produits : Pyruvate, Nicotinamide adénine dinucléotide hydrogène (NADH), Adénine triphosphate (ATP)
• Lieu de la réaction : Cytosol de toutes les cellules du corps dont les myocytes et les hépatocytes
• Conditions : Rapport insuline/glucagon (I/G) élevé

     Le glucose utilisé pour la glycolyse est, au départ, retrouvé dans la circulation sanguine. Il entre alors dans le cytosol de la cellule. Par une réaction irréversible nécessitant de l’hexokinase (mycocytes ou autres cellules) ou de la glucokinase (hépatocytes) ainsi qu’un ATP, le glucose est transformé en glucose-6-phosphate (G-6-P). Par une réaction réversible, le G-6-P est transformé en fructose-6-phosphate (F-6-P). Le F-6-P est transformé en fructose-1,6-bisphosphate (F-1,6-bisP) dans une réaction irréversible nécessitant l’hydrolyse d’un ATP en ADP ainsi que la présence de la PFK, une enzyme de contrôle de la glycolyse. Le F-1,6-bisP produit deux molécules à trois carbones, soit un glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) et un dihydroxyacétone-phosphate (DHAP) par des réactions irréversibles. Ces deux petites molécules sont en équilibre par une réaction réversible. Comme ce n’est qu’avec le GAP que la glycolyse se produit, on peut considérer que le F-1,6-bisP produit deux molécules de GAP étant donné que celui-ci est utilisé pour la glycolyse, créant un déséquilibre entre le GAP et le DHAP menant obligatoirement ce dernier à être transformé en GAP. À partir de maintenant, ce seront deux molécules de GAP qui seront suivies. Ces deux GAP sont ensuite transformées en deux molécules de 1,3-bisphosphoglycérate (1,3-bisPG) par une réaction réversible appelée oxydoréduction. Cela nécessite l’arrivée de deux molécules de Pi ainsi que l’oxydation de deux molécules de NAD+ en NADH. Les deux 1,3-bisPG sont alors transformés en deux molécules de phosphoénolpyruvate (PEP) par une réaction, encore une fois, réversible qui nécessite l’hydrolyse de deux ATP en deux ADP. Ces deux PEP sont ensuite transformés en deux molécules de pyruvate par hydrolyse de deux ATP en deux ADP. Cela nécessite l’action de la pyruvate kinase dans cette réaction irréversible. Les deux dernières réactions (1,3-BisP à PEP et PEP à pyruvate) sont toutes deux des phosphorylations au niveau du substrat. Finalement, le pyruvate sera utilisé dans le cycle de Krebs en passant par une oxydation en acétyl-CoA. S’il y a trop de pyruvate, il sera transformé en lactate par une réaction réversible nécessitant LDH.

Glycolyse en condition ischémique

Voici les caractéristiques générales.

• Substrats : Glycogène, Adénosine diphosphate (ADP), Nicotinamide adénine dinucléotique (NAD+), Phosphate inorganique (Pi)
• Enzymes : Hexokinase pour les myocytes et autres, Glucokinase (hépatocytes), Phosphofructokinase (PFK), Pyruvate kinase, Lactate déshydrogénase (LADH), Créatine kinase (CK)
• Produits : Pyruvate, Nicotinamide adénine dinucléotide hydrogène (NADH), Adénine triphosphate (ATP)
• Lieu de la réaction : Cytosol des érythrocytes, des myocytes et autres cellules sans oxygène.
• Conditions : Anaérobie

     Cette glycolyse ressemble beaucoup à celle au repos. Cependant, l’accès à l’oxygène est très limité, voire absent. Cela implique que la chaîne de transport des électrons est arrêtée puisqu’il n’y a plus d’accepteur final des électrons. Le cycle de Krebs est alors arrêté aussi puisqu’il n’y a plus de NAD+ ou de FAD qui sont généralement produits par la chaîne respiratoire à partir de NADH et de FADH. Cela implique qu’il est inutile pour les deux molécules de NADH produites par l’étape réversible de GAP à 1,3-bisPG de se rendre dans la mitochondrie. Ces deux NADH vont rester dans le cytosol et participer à la production de lactate à partir du pyruvate. Dans des condition aérobiques, les molécules de pyruvate vont dans la mitochondrie pour être oxydées. Comme mentionné plus haut, les réactions de la mitochondrie ne sont plus fonctionnelles. Le pyruvate s’accumule alors dans le cytosol. Comme il est en réaction équilibrée avec le lactate, il y aura production de plus en plus de lactate à l’aide de la LDH. Cette réaction nécessite des électrons. Les deux NADH de l’étape réversible de GAP à 1,3-bisPG vont donc aller directement à la réaction pyruvate à lactate et devenir deux molécules de NAD+, réutilisables encore une fois pour la réaction du GAP. C’est une façon de produire de l’ATP sans avoir recours au cycle de Krebs ou à la chaîne de transport des électrons.

     La condition ischémique peut aussi impliquer qu’il n’y a pas de glucose qui arrive à la cellule puisqu’une artère est bouchée. Alors, la cellule doit impérativement faire de la glycogénolyse, c’est-à-dire détruire, au moyen d’enzymes, son glycogène pour en faire du glucose et pouvoir l’utiliser. 90% du glycogène va être transformé en G-6-P.

     Les cellules musculaires, pour leur contraction, ont deux autres moyens de reconstituer leurs réserves d’ATP. Il y a la production d’ATP et d’AMP à l’aide de deux molécules d’ADP. Il y a aussi la synthèse d’ATP à partir de créatine-phosphate (créatine-P) et d’ADP et de la CK. La créatine-P est reconstituée par la créatine et de l’ATP avec la CK.

Glycolyse dans un muscle à l’effort intense

Voici les caractéristiques générales.

• Substrats : Glycogène, Glucose, Adénosine diphosphate (ADP), Nicotinamide adénine dinucléotique (NAD+), Phosphate inorganique (Pi)
• Enzymes : Hexokinase, Phosphofructokinase (PFK), Pyruvate kinase, Lactate déshydrogénase (LADH), Créatine kinase (CK)
• Produits : Pyruvate, Nicotinamide adénine dinucléotide hydrogène (NADH), Adénine triphosphate (ATP)
• Lieu de la réaction : Cytosol des myocytes
• Conditions : Aérobie (et anaérobie aux moments où l’oxygène ne suffit plus)

      Les muscles à l’effort intense font tout ce qui est en leur pouvoir pour faire de l’ATP. Des récepteurs membranaires sont activés par l’adrénaline et des nerfs moteurs. L’activation de ces récepteurs a pour conséquence d’activer la transformation du glycogène en G-6-P.  

Oxydation du Pyruvate

• Substrats: Pyruvate, NAD+, Acide pantothénique (Coa-SH)
• Enzymes: Pyruvate Déshydogénase (PDH)
• Produits: Acetyl-CoA, NADH, H⁺, CO₂
• Lieu: Mitochondrie
• Conditions: Aérobie, Rapport insuline/glucagon (I/G) élevé

Le pyruvate produit par la glycolyse traverse la membrane mitochondriale et se retrouve dans la matrice, où sa réaction avec l’acide pantothénique est régulée par l’enzyme PDH. La PDH nécessite la liaison de plusieurs coenzymes pour être active, dont la flavine adénine dinucléotide (FAD), la lipoate et la thiamine pyrophosphate (TPP). L’énergie essentielle à la production de l’acétyl-CoA provient de l’oxydation du NAD⁺ en NADH. La formation d’acétyl-Coa, qui sera utilisé par le Cycle de Krebs, entraîne aussi la production de protons (H⁺) et la libération de CO₂.

Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs

Le cycle de Krebs

Substrats: Acetyl-CoA, NAD+, FAD, GDP, Pi

Enzymes: Citrate synthase, alpha-cetoglutarate déshydrogenase, malate déshydrogenase

Produits: NADH, FADH2, GTP

Lieu: Mitochondrie et face intérieure de la membrane interne de la mitochondrie

Deux molécules d’acetyl-CoA à deux carbones résultant de l’oxydation du pyruvate font leur entrée dans le cycle de Krebs en étant combiné avec deux molécules d’oxaloacétate à quatre carbones par la citrate synthase, pour produire deux molécules de citrate à six carbones. La formation du citrate libère, au même moment, deux molécules de CoA-SH qui sont réutilisés par l’oxydation du pyruvate et par le cycle de Krebs lui-même. La citrate synthase est l’enzyme de régulation du cycle de Krebs. Celle-ci est inhibée par la présence d’ATP. Cette inhibition permet d’éviter la production inutile d’ATP, qui ne peut être stocké par les voies cataboliques, les besoins de la cellule étant comblés. Le citrate produit est transformé en deux molécules d’isocitrate qui, à leur tour, deviennent deux molécules d’α-cétoglutarate à cinq carbones, libérant deux molécules de CO2 et oxydant deux molécules de NAD+ en NADH. L’α-cétoglutarate, par le biais de l’α-cétoglutarate déshydogenase est transformé en  deux molécules de succinyl-CoA. L’α-cétoglutarate déshydogenase nécessite les coenzymes FAD, lipoate et TPP pour fonctionner. La production du succinyl-Coa implique l’utilisation de deux molécules de CoA-SH, la libération de deux CO2 et l’oxydation de deux NAD+ en NADH. Les deux molécules de succinyl-CoA, sont transformés, en deux molécules de succinate, hydrolysant par le fait même, deux molécules de GTP en GDP et en phosphore inorganique. Cette réaction libère, de plus, deux molécules de CoA-SH, qui pourront être réutilisées, soit par le cycle de Krebs ou par la voie de l’oxydation du pyruvate. Les deux molécules de succinate sont transformés en fumarate, oxydant au passage, deux molécules de FAD en FADH. Les deux molécules de fumarate sont transformées en deux molécules de malate qui, par le biais de la malate déshydrogenase, produisent deux molécules d’oxaloacétate, oxydant par le fait même 2 molécules de NAD+ en NADH.

Le cycle de Krebs est composé de réactions réversibles et de réactions irréversibles.

Réactions Réversibles	Réactions Irréversibles
Citrate → Isocitrate	Acetyl-Coa + Oxaloacetate → Citrate
Succinyl-CoA → Succinate	Isocitrate → α-cetoglutarate
Succinate → Fumarate	α-cetoglutarate → Succinyl-CoA
Fumarate →Malate	-
Malate → Oxaloacétate	-

Phosphorylation Oxydative et Chaîne respiratoire

Substrats : NADH, FADH₂, O₂, H⁺, ADP,

Enzymes : Complexe I, II, III et IV, cytochrome C, translocase, ATPase

Produits : NAD⁺, FAD, H₂O, ATP

La chaîne respiratoire est composée de quatre complexes enzymatiques :

·      Complexe I : NADH déshydrogénase

·      Complexe II : Succinate reductase

·      Complexe III : Ferricytochrome C reductase

·      Complexe IV : Ferrocytochrome C, oxygène oxydoréductase, cytochrome C oxydase

Chacun de ces complexes est composé de protéines ayant des fonctions variées (structure, catabolisme). Ce sont ces complexes qui permettent le transfert d’électrons.

Le NADH généré au cours des réactions précédentes du métabolisme des glucides entre dans la chaîne oxydative par le biais du complexe I. Le FADH2, pour sa part, intègre la chaîne respiratoire au niveau du complexe II, échappant à l’action de la NADH déshydrogénase.

Le NADH interagit avec le complexe I, lui donnant ses électrons, ce qui lui permet de reprendre sa forme de NAD⁺. Le complexe I utilise ces électrons pour réduire la coenzyme Q, qui, est par la suite, oxydée par le complexe III. Le complexe III passe les électrons au cytochrome C, qui s’occupe de les transférer au complexe IV. Le complexe IV peut donc, à ce moment, réduire des molécules d’oxygènes mitochondriales pour former de l’eau.

Le FADH2, interagit avec le complexe II, lui larguant les électrons, provenant du succinate, qu’il transporte, ce qui le ramène dans sa conformation FAD. L’échange d’électrons permet ensuite au complexe II de réduire la coenzyme Q. Les électrons originant du FADH2 empruntent par la suite la même voie que les électrons transportés par les molécules de NADH.

L’évitement du complexe I par les molécules de FADH2 explique la différence du bilan énergétique relié aux deux molécules qui transportent les électrons jusqu’à la chaîne respiratoire.

Tous les transferts d’électrons au sein de la chaîne respiratoire, sauf ceux du complexe II, servent à transporter des ions H+ mitochondriaux dans l’espace intermembranaire de la mitochondrie.

Ce mouvement des ions H+ sert à former le gradient électrochimique, qui est nécessaire au fonctionnement de la pompe ATPase.

La pompe ATPase utilise comme substrat l’ADP. En potentialisant l’énergie du gradient électrochimique instauré et maintenu par la chaîne respiratoire, elle est en mesure de phosphoryler un ADP, générant un ATP.

Glycogénolyse

Substrats : Glycogène et Pi

Enzymes : Enzyme débranchante, glycogène phosphorylase

Produits : Glucose-6-phosphate, Glucose-1-phosphate, Glucose

La glycogénolyse représente le débranchement de molécules de glycogène afin de produire de plus petites molécules; le glucose-1-phosphate qui se transforme en glucose-6-phosphate (G6P). Ce catabolisme dépend de la réaction de la glycogène phosphorylase avec les molécules de glycogènes et de l’action de l’enzyme débranchante, qui permet de briser les ramifications de la molécule de glycogène. C’est cette dernière enzyme qui permet la libération de molécules de glucose par le processus de glycogénolyse.

La glycogénolyse musculaire fonctionne par un mécanisme similaire, mais diffère de la glycogénolyse hépatique dans le sort réservé au G6P et au glucose libérés. En effet, la glycogénolyse musculaire est activée lors de l’effort intense, ce qui fait en sorte que le G6P qui est produit est rapidement métabolisé pour servir comme source d’énergie. De plus, comme le muscle ne possède pas l’enzyme glucose-6-phosphatase, le G6P ne peut pas être exporté en dehors de la cellule et doit donc être utilisé localement, par la voie de la glycolyse.