Glycolyse

Définition

La glycolyse, ou glucolyse, est le principal processus de l'oxydation du glucose en acide pyruvique; elle constitue habituellement la première phase du catabolisme des glucides. Cette voie métabolique responsable de l'oxydation du glucose afin d'obtenir de l'énergie pour la cellule est appelée la voie d'Embden-Meyerhof-Parnas.

La glycolyse consiste en 10 réactions enzymatiques consécutives qui convertissent le glucose en deux molécules de pyruvate, capable de suivre d'autres voies métaboliques et de continuer ainsi à fournir de l'énergie au corps. Cette voie est réalisée à la fois en l'absence et en présence d'oxygène, défini comme un processus anaérobie dans ce cas.

Schéma complet de la glycolyse :

Le type de glycolyse le plus répandu et le plus connu est la voie Embden-Meyerhof, initialement expliquée par Gustav Embden et Otto Fritz Meyerhof. Le terme peut inclure des itinéraires alternatifs, tels que l'itinéraire Entner-Doudoroff. Cependant, la glycolyse est souvent synonyme de voie Embden-Meyerhof.

Explications

La glycolyse continue avec le cycle de Krebs. C'est la voie initiale du catabolisme des glucides, l'inverse de la gluconéogenèse (glucogenèse). Voir aussi la glycogénolyse.

La glycolyse est la dégradation enzymatique du glucose qui conduit à la formation de deux molécules de pyruvate et cette dégradation comprend dix étapes catalysées chacune par une enzyme spécifique et réparties en deux phases : les 5 premières étapes forment la phase d'investissement d'énergie et les suivantes la phase de récupération de l'énergie sous forme de potentiel réducteur et d'ATP (phosphorylation au niveau du substrat). L'oxydant n'est pas l'oxygène mais le NAD; finalement, il se forme 2 ATP, 2 NADH⁺H⁺ et 2 H₂O.

Un acide phosphoénolpyruvique, ou phosphoénolpyruvate, connu sous le sigle PEP, est un composé intermédiaire de la glycolyse provenant du 2-glycérophosphate par perte d'une molécule d'eau grâce à une énolase et qui donne du pyruvate par une pyruvate kinase.

Découverte

Les premières études informelles sur les processus glycolytiques ont été initiées en 1860, lorsque Louis Pasteur découvrit que les microorganismes étaient responsables de la fermentation 2 et en 1897, lorsque Eduard Buchner découvrit qu'un certain extrait cellulaire pouvait provoquer une fermentation. Arthur Harden et William Young ont ensuite apporté leur contribution majeure en 1905 : ils ont déterminé que, pour la fermentation, une fraction cellulaire de haut poids moléculaire et thermosensible (enzymes) et une fraction cytoplasmique de faible poids moléculaire et résistant à la chaleur (ATP, ADP, NAD+ et autres coenzymes). Les détails de la route elle-même ont été déterminés en 1940, avec une percée réalisée par Otto Meyerhoff et quelques années plus tard par Luis Leloir. Les plus grandes difficultés pour déterminer la complexité de la voie étaient la courte durée de vie et les faibles concentrations des intermédiaires dans les réactions glycolytiques rapides.

Chez les eucaryotes et les procaryotes, la glycolyse intervient dans le cytosol de la cellule. Dans les cellules végétales, certaines réactions glycolytiques se retrouvent également dans le cycle de Calvin, lequel a lieu dans les chloroplastes. La large conservation de cette voie inclut les organismes phylogénétiquement les plus anciens et est donc considérée comme l'une des plus anciennes voies métaboliques.

Vue d'ensemble

Au cours de la glycolyse, un rendement net de deux molécules d'ATP est obtenu; l'ATP peut être utilisé comme source d'énergie pour effectuer un travail métabolique, tandis que le NADH peut avoir différentes destinations. Il peut être utilisé comme source de pouvoir réducteur dans les réactions anaboliques. s'il y a de l'oxygène, il peut s'oxyder dans la chaîne respiratoire en obtenant 5 ATP (2,5 pour chaque NADH); s'il n'y a pas de dioxygène, il est utilisé pour réduire le pyruvate en lactate (fermentation lactique), en CO₂ et en éthanol (fermentation alcoolique), sans apport d'énergie supplémentaire.

La glycolyse est le moyen le plus rapide d'obtenir de l'énergie pour une cellule et, dans le métabolisme des glucides, il s'agit généralement de la première voie d'utilisation. Il est structuré en 10 réactions enzymatiques qui permettent la transformation d'une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate par un processus catabolique.

La glycolyse est l'une des voies les plus étudiées et se divise généralement en deux phases : la première, la dépense énergétique, et la seconde, l'obtention d'énergie.

La première phase consiste à transformer une molécule de glucose en deux molécules de glycéraldéhyde (molécule à faible énergie) en utilisant du 2 ATP. Cela permet de dupliquer les résultats de la deuxième phase de la production d'énergie.

Dans la deuxième phase, le glycéraldéhyde est transformé en un composé de haute énergie, dont l'hydrolyse génère une molécule d'ATP. Deux molécules de glycéraldéhyde ayant été générées, deux molécules d'ATP sont effectivement obtenues. Cette génération d'énergie est obtenue en couplant une réaction fortement exergonique après une réaction légèrement endergonique. Ce couplage intervient à nouveau dans cette phase, générant deux molécules de pyruvate. De cette manière, dans la deuxième phase, 4 molécules d'ATP sont obtenues.

Réactions ultérieures

Les réactions ultérieures ultérieures à la glycolyse concernent la fermentation avec le cycle de la fermentation et le cycle de Krebs. C'est le métabolisme pour la composition d'un nouvel organisme.

Une fois qu'une molécule de glucose est transformée en 2 molécules de pyruvate, les conditions du milieu dans lequel elle se trouve détermineront la voie métabolique à suivre.

Dans les organismes aérobies, le pyruvate continuera d'être oxydé par l'enzyme pyruvate déshydrogénase et le cycle de Krebs, créant des intermédiaires tels que NADH et FADH₂. Ces intermédiaires ne peuvent pas traverser la membrane mitochondriale et utilisent donc des systèmes d'échange avec d'autres composés appelés navettes (en anglais, shuttles). Les plus connues sont la navette malate-aspartate et la navette glycérol-3-phosphate. Les intermédiaires parviennent à délivrer leurs équivalents 4 à l'intérieur de la membrane mitochondriale, puis passent par la chaîne de transport d'électrons, qui les utilisera pour synthétiser de l'ATP.

De cette façon, il est possible d'obtenir jusqu'à 30 moles d'ATP à partir d'une mole de glucose en tant que gain net.

Cependant, lorsque les cellules ne possèdent pas de mitochondries (par exemple : érythrocytes) ou lorsqu'elles nécessitent de grandes quantités d'ATP (par exemple, le muscle pendant l'exercice), le pyruvate subit une fermentation permettant d'obtenir 2 moles d'ATP pour chaque mole de glucose, par exemple. Ce que cette voie n'est pas très efficace vis-à-vis de la phase aérobie de la glycolyse.

Le type de fermentation varie selon le type d'organisme : dans la levure, une fermentation alcoolique produit l'éthanol et le CO₂ comme produits finaux, tandis que les muscles, les érythrocytes et certains micro-organismes produisent une fermentation lactique qui produit de l'acide lactique ou du lactate.

Fonctions

Les fonctions de la glycolyse sont :

• La génération de molécules de haute énergie (ATP et NADH) en tant que source d'énergie cellulaire dans les processus de respiration aérobie (présence d'oxygène) et de fermentation (absence d'oxygène).
• La génération de pyruvate qui passera au cycle de Krebs, dans le cadre de la respiration aérobie.
• La production d'intermédiaires à 6 et 3 atomes de carbone pouvant être utilisés dans d'autres processus cellulaires.

Étapes de la glycolyse

La glycolyse est divisée en deux parties principales et dix réactions enzymatiques :

• Phase de dépense énergétique (ATP) : cette première phase de glycolyse consiste à transformer une molécule de glucose en deux molécules de glycéraldéhyde. Elle intègre, dans l'ordre :
  1. l'hexokinase,
  2. la glucose-6-phosphate isomérase (phosphohexose isomérase, phosphoglucose isomérase),
  3. la phosphofructokinase-1,
  4. l'aldolase (fructose-bisphosphate aldolase),
  5. la triose-phosphate isomérase.
• Phase de bénéfice énergétique (ATP, NADH) : jusqu'ici, seule l'énergie a été consommée (ATP). Cependant, dans la deuxième étape, le glycéraldéhyde est converti en une molécule de haute énergie, où le bénéfice final de 4 molécules d'ATP sera obtenu :
  6. la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase,
  7. la phosphoglycérate kinase,
  8. la phosphoglycérate mutase,
  9. l'énolase (phosphopyruvate hydratase, 2-phosphoglycérate déshydratase),
  10. la pyruvate kinase.

L'enzyme pyruvate kinase dépend du magnésium et du potassium. L'énergie libre est de -31,4 kJ/mol, donc la réaction est favorable et irréversible.

Le rendement total en glycolyse d'un seul glucose (6C) est de 2 ATP et non de 4 (deux pour chaque glycéraldéhyde-3-phosphate (3C)), car 2 ATP sont consommés dans la première phase et 2 NADH (qui ils laisseront les électrons Nc dans la chaîne de transport d'électrons pour former 3 ATP pour chaque électron). Avec la molécule pyruvate, via une étape d'oxydation intermédiaire appelée décarboxylation oxydante, à travers laquelle le pyruvate passe dans les mitochondries, il perd du CO₂ et un électron qui oxyde le NAD+, qui devient NADH plus H⁺ et gagne un CoA-SH (coenzyme A), formé dans l'acétyl-CoA grâce à l'enzyme pyruvate déshydrogénase, permet d'entrer dans le cycle de Krebs (qui, avec la chaîne de transport d'électrons, s'appelle la respiration).

Régulation

La régulation de la glycolyse est réalisée par :

• l'effet Pasteur : l'effet Pasteur est la visualisation de la puissance de l'O₂ dans la fermentation induite par la levure, découverte par Luis Pasteur lorsqu'il a observé la relation entre la vitesse de fermentation et l'existence de l'air. Il a déterminé qu'ils entretenaient une relation inverse et a également observé que, dans des conditions aérobies, les cellules de levure augmentaient et la fermentation diminuait. De cette manière, l'effet Pasteur a été l'une des premières observations que l'on a faite indirectement au processus de glycolyse, tout en notant que le métabolisme principal du glucose pourrait être réalisé en présence ou en absence d'oxygène, et que dans ce dernier fermentation alcoolique.
• la régulation du substrat (transporteur de glucose) : la membrane plasmique des cellules est imperméable au glucose. Pour le transporter à l'intérieur, il utilise des convoyeurs spéciaux appelés GLUT, de types différents et certains spécialisés pour chaque cellule.
• la régulation de l'activité enzymatique : la glycolyse est régulée enzymatiquement dans les trois points irréversibles de cette voie, c'est-à-dire dans la première réaction (G → G-6P), au moyen d'hexokinase; dans la troisième réaction (F-6P → F-1,6-BP) au moyen de PFK1 et dans la dernière étape (PEP → Pyruvate) par la pyruvate kinase.
• la régulation hormonale : en augmentant la glycémie, après un repas, les cellules bêta du pancréas stimulent la production d'insuline, ce qui augmente l'activité de la glucokinase dans les hépatocytes. Des concentrations élevées de glucagon et de faibles niveaux d'insuline diminuent la concentration intracellulaire de fructose-1,6-bisphosphate. Cela entraîne une diminution de la glycolyse et une augmentation de la gluconéogenèse.

Production de glucose

La gluconéogenèse est la voie anabolique par laquelle la synthèse du nouveau glucose a lieu à partir de précurseurs non glucosidiques (lactate, pyruvate, glycérol et certains acides aminés). Elle est réalisée principalement dans le foie et, dans une moindre mesure, dans le cortex rénal. Il est stimulé par l'hormone glucagon, sécrétée par les cellules alpha (alpha) des îlots de Langerhans du pancréas et inhibée par son hormone de contre-régulation, l'insuline, sécrétée par les cellules β (bêta) des îlots de Langerhans du pancréas, qui stimule la voie catabolique appelée glycogénolyse pour dégrader le glycogène stocké et le transformer en glucose, augmentant ainsi la glycémie (glycémie).

Du point de vue enzymatique, produire du glucose à partir d'acide lactique ou de pyruvate coûte plus cher que sa dégradation phosphorique.

Glycolyse chez les plantes

Les plantes ont la capacité d'effectuer la photosynthèse et le glucose est l'un des sous-produits de ce processus. Ceci est utilisé par les plantes, entre autres choses, comme source d'énergie dans le processus de respiration, qui contrairement à la photosynthèse est réalisée indépendamment de la lumière. En respirant, les plantes absorbent l'oxygène de l'air et rejettent le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau.

L'échange de substances s'effectue par des stomates, des ouvertures qui agissent comme des portes dans les plantes et qui ont aussi pour caractéristique de se fermer avant une descente excessive de la vapeur atmosphérique.

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