La glycolyse : introduction et généralités
L’ESSENTIEL
- La glycolyse est une voie cytosolique de catabolisme oxydatif anaérobie du glucose, jusqu’au pyruvate.
- Par glucose : 2 pyruvates, 2 NADH, H⁺, 4 ATP produits et 2 ATP consommés ; bilan net : 2 ATP.
- Les réactions limitantes sont les 1, 3 et 10 ; la réaction 3, catalysée par la PFK1, est la régulation majeure.
- En anaérobiose, la réduction du pyruvate en lactate régénère le NAD⁺ nécessaire à la poursuite de la glycolyse. En aérobiose, le pyruvate est oxydé au-delà ; le rendement global indiqué est de 38 ATP par glucose.
- Le glucose sert aussi de précurseur : notamment, le glycérol 3-phosphate accepte des acides gras et des intermédiaires glycolytiques ou du cycle de l’acide citrique contribuent à la synthèse d’acides aminés.
Définition
La glycolyse transforme le glucose en pyruvate par une succession de réactions enzymatiques qui se déroulent toutes dans le cytosol.
Intérêt
| Contexte | Devenir du glucose | Rendement indiqué |
|---|
| Anaérobiose | Dégradation jusqu’au pyruvate | 2 ATP par glucose |
| Aérobiose | Dégradation jusqu’au pyruvate, puis au-delà | 38 ATP par glucose |
La glycolyse apporte aussi des précurseurs de biosynthèse : le glycérol 3-phosphate peut accepter des acides gras ; des intermédiaires de la glycolyse et du cycle de l’acide citrique servent de précurseurs d’acides aminés.
Entrée du glucose dans la cellule
Le glucose et les premiers intermédiaires glycolytiques peuvent être d’origine alimentaire ou métabolique.
| Origine ou transporteur | Présence, contexte et propriété |
|---|
| Origine alimentaire | Après digestion des polysaccharides et disaccharides, en période postprandiale. Le glucose entre par diffusion facilitée via les GLUT 1 à 5. |
| Origine métabolique | À jeun, glucose issu de précurseurs non glucidiques par néoglucogenèse hépatique ; le glucose 6-phosphate provient aussi du catabolisme du glycogène par glycogénolyse hépatique et musculaire. |
| GLUT1 et GLUT3 | Présents dans presque toutes les cellules, notamment les neurones et les globules rouges. Affinité moyenne, transport non insulinodépendant : apport de glucose quelles que soient les circonstances. |
| GLUT2 | Foie et cellules β du pancréas ; actif en période postprandiale quand la glycémie est élevée ; non insulinodépendant. |
| GLUT4 | Muscles striés, cœur et tissu adipeux ; forte affinité et transport insulinodépendant. |
À retenir
- Postprandial : glucose alimentaire ; GLUT2 intervient lorsque la glycémie est élevée.
- Jeûne : néoglucogenèse hépatique et glycogénolyse hépatique et musculaire contribuent à l’approvisionnement.
- Insulinodépendance : propre à GLUT4 parmi les transporteurs décrits ; GLUT1, GLUT3 et GLUT2 sont non insulinodépendants.
I. Étapes de la glycolyse
Vue d’ensemble
La voie compte 10 réactions, réparties en deux phases de cinq :
| Phase | Réactions | Bilan en ATP par glucose |
|---|
| Investissement énergétique | 1 à 5 | 2 consommés |
| Retour sur investissement | 6 à 10 | 4 produits |
Réactions enzymatiques
| Nº | Transformation et enzyme | Réversibilité, énergie ou point à connaître |
|---|
| 1 | Glucose → glucose 6-phosphate (G6P), par l’hexokinase | Consomme 1 ATP ; réaction irréversible et limitante. Mg²⁺ ou Mn²⁺ requis. Dans le foie et les cellules β du pancréas, la glucokinase remplace l’hexokinase. La phosphorylation empêche le glucose de ressortir, car la membrane plasmique est imperméable aux molécules phosphorylées. |
| 2 | G6P, aldose → fructose 6-phosphate (F6P), cétose, par la phosphohexose isomérase | Isomérisation réversible. |
| 3 | F6P → fructose 1,6-bisphosphate (F1,6BP), par la phosphofructokinase 1 (PFK1) | Ajout d’un phosphate en C-1 ; consomme 1 ATP. Réaction irréversible, limitante et principale étape de régulation. |
| 4 | F1,6BP → glycéraldéhyde 3-phosphate (GA3P) + dihydroxyacétone phosphate (DHAP), par la fructose 1,6-bisphosphate aldolase | Clivage entre C-2 et C-3 ; réaction réversible. GA3P est un aldose, DHAP un cétose. |
| 5 | DHAP → GA3P, par la triose phosphate isomérase | Réversible, mais équilibre déplacé vers la gauche. À l’issue de cette étape, les deux trioses issues d’un glucose sont deux GA3P. |
| 6 | GA3P → 1,3-bisphosphoglycérate (1,3-BPG), par la GA3P déshydrogénase (GA3PDH) | Oxydation et phosphorylation réversibles ; NAD⁺ comme coenzyme. Produit 1 NADH, H⁺ par GA3P, donc 2 par glucose. |
| 7 | 1,3-BPG → 3-phosphoglycérate (3PG), par la phosphoglycérate kinase (PGK) | Transfert d’un phosphate à l’ADP ; réaction réversible. Produit 1 ATP par GA3P, donc 2 par glucose. |
| 8 | 3PG → 2-phosphoglycérate (2PG), par la phosphoglycérate mutase (PGM) | Isomérisation réversible. |
| 9 | 2PG → phosphoénolpyruvate (PEP), par l’énolase | Déshydratation réversible. |
| 10 | PEP → pyruvate, par la pyruvate kinase | Transfert d’un phosphate à l’ADP ; réaction irréversible et limitante. Produit 1 ATP par GA3P, donc 2 par glucose. Étape majeure de régulation. |
Point de division : à partir du GA3P, chaque réaction se déroule deux fois par glucose, puisque deux GA3P sont engagés dans la seconde moitié de la voie.
À retenir
- Les étapes 1 et 3 dépensent chacune 1 ATP ; les étapes 7 et 10 en produisent chacune 2 par glucose.
- Une seule molécule de glucose donne deux GA3P après clivage et isomérisation.
- Pour distinguer les étapes : 1, 3 et 10 sont irréversibles et limitantes ; parmi elles, la 3 est la régulation majeure.
II. Bilan énergétique de la glycolyse
| Par molécule de glucose | Bilan |
|---|
| Pyruvate formé | 2 |
| ATP consommés | 2 |
| ATP produits | 4 |
| Bilan net d’ATP | 2 |
| NAD⁺ réduit en NADH, H⁺ | 2 |
Le schéma de bilan mentionne aussi une séquence impliquant NAD⁺ et Pi qui produit du 2,3-diphosphoglycérate.
À retenir
- Le bilan net se calcule en soustrayant l’investissement aux productions : 4 − 2 = 2 ATP par glucose.
- Ne pas confondre la production brute de 4 ATP avec le gain net de 2 ATP.
- Le bilan comprend également 2 pyruvates et 2 NADH, H⁺.
III. Destinées métaboliques du pyruvate
| Situation | Devenir du pyruvate | Conséquence |
|---|
| Aérobiose | Entrée dans la mitochondrie, puis oxydation complète en CO₂ et H₂O via le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire | Dégradation poursuivie au-delà du pyruvate. |
| Anaérobiose : fermentation lactique | Réduction du pyruvate en lactate par la lactate déshydrogénase | Le NADH, H⁺ est oxydé en NAD⁺ ; la glycolyse peut continuer malgré l’insuffisance d’oxygène. |
| Fermentation alcoolique | Voie présente chez les micro-organismes | — |
En situation anaérobie, l’accumulation cytoplasmique de NADH, H⁺ et le manque de NAD⁺ interrompraient la glycolyse. La fermentation lactique rétablit le NAD⁺ en couplant sa régénération à la réduction du pyruvate.
À retenir
- Oxygène insuffisant : la réduction du pyruvate en lactate permet de régénérer le NAD⁺.
- Aérobiose : le pyruvate entre dans la mitochondrie et est dégradé jusqu’à CO₂ et H₂O.
- La fermentation alcoolique est indiquée comme voie des micro-organismes.
IV. Régulation de la glycolyse
La régulation adapte le flux glycolytique aux besoins en ATP et en intermédiaires de synthèse. Elle dépend de la disponibilité du glucose et de la vitesse des réactions limitantes.
| Réaction limitante | Enzyme | Place dans la régulation |
|---|
| 1 | Hexokinase | Limitante |
| 3 | PFK1 | Limitante majeure |
| 10 | Pyruvate kinase | Limitante |
Hexokinase
Contrôle allostérique : le G6P inhibe l’hexokinase. Son accumulation ralentit ainsi le flux glycolytique.
Phosphofructokinase-1
La PFK1 est contrôlée de façon allostérique.
| Effet sur la PFK1 | Molécule ou signal | Conséquence |
|---|
| Inhibition | Citrate | Ralentissement de la glycolyse. |
| Inhibition | ATP | Ralentissement lorsque les besoins énergétiques sont satisfaits. |
| Activation | Fructose 2,6-bisphosphate (F2,6BP) | Accélération de la réaction F6P → F1,6BP. |
Le F2,6BP est formé à partir du F6P sous l’action de la PFK2 et intervient uniquement dans la régulation.
| Tissu et situation | Signal | Variation de F2,6BP et effet |
|---|
| Foie, jeûne à distance des repas | Glucagon | Diminution de F2,6BP ; ralentissement de la glycolyse, ce qui réserve le glucose aux tissus glucodépendants. |
| Foie, après un repas | Insuline | Activation de la PFK2 et hausse de F2,6BP ; accélération de la glycolyse pour produire de l’énergie et synthétiser des acides gras. |
| Cœur, période d’activité | Adrénaline | Activation de la PFK2 et hausse de F2,6BP ; activation et accélération de la glycolyse. |
Pyruvate kinase
La pyruvate kinase est contrôlée à la fois par allostérie et par phosphorylation/déphosphorylation.
- Contrôle allostérique :
- Le F1,6BP l’active, signalant que la glycolyse est engagée.
- L’acétyl coenzyme A et l’ATP l’inhibent, indiquant que les besoins énergétiques sont satisfaits.
- Contrôle de la forme hépatique :
| Forme hépatique | Activité | Signal associé |
|---|
| Phosphorylée | Inactive | Le glucagon la favorise et freine la glycolyse. |
| Non phosphorylée | Active | L’insuline la favorise et accélère la glycolyse. |
À retenir
- Les réactions à surveiller sont 1, 3 et 10, avec priorité à la PFK1.
- Les signaux d’énergie abondante, ATP et citrate, freinent la PFK1 ; le F2,6BP la stimule.
- Au foie, le glucagon freine la glycolyse par baisse de F2,6BP et par phosphorylation de la pyruvate kinase ; l’insuline favorise le sens inverse.
- Dans le cœur, l’adrénaline augmente le F2,6BP et accélère la glycolyse.
V. Aspects pathologiques
| Déficit enzymatique | Conséquence indiquée |
|---|
| Aldolase ou pyruvate kinase dans les globules rouges | Anémie hémolytique. |
| PFK musculaire | Faible capacité à l’effort, surtout avec un régime riche en glucides ; amélioration avec un régime riche en acides gras. |
| Pyruvate déshydrogénase | Accumulation de pyruvate et acidose lactique, souvent létale, avec hausse du lactate sanguin ; accidents circulatoires et infarctus du myocarde (IDM) mentionnés. |
À retenir
- Dans les globules rouges, les déficits en aldolase ou en pyruvate kinase sont associés à une anémie hémolytique.
- Le déficit en PFK musculaire réduit la capacité à l’effort ; le régime riche en acides gras l’améliore selon le cours.
- Le déficit en pyruvate déshydrogénase est associé à l’accumulation de pyruvate, à l’acidose lactique et à des conséquences potentiellement létales.
Auto-évaluation
- Où se déroule la glycolyse et quel est son produit final direct ?
- Quels sont ses rendements indiqués en anaérobiose et en aérobiose ?
- Quels transporteurs GLUT sont insulinodépendants, et où GLUT2 est-il présent ?
- Quelles sont les origines du glucose en période de jeûne ?
- Quelles réactions constituent les phases d’investissement et de retour sur investissement ?
- Quelles réactions sont irréversibles et limitantes ? Laquelle est la régulation majeure ?
- Que deviennent le G6P, le F6P, le F1,6BP et les deux trioses au cours des réactions 2 à 5 ?
- Quel est le rôle du NAD⁺ dans la réaction catalysée par la GA3PDH et quel bilan en NADH obtient-on par glucose ?
- Quel est le bilan net d’ATP, en tenant compte des ATP consommés et produits ?
- Que devient le pyruvate en aérobiose et en anaérobiose ?
- Quels effecteurs inhibent ou activent la PFK1 ?
- Comment le glucagon, l’insuline et l’adrénaline modifient-ils la glycolyse dans les tissus décrits ?
- Quel est le double mode de contrôle de la pyruvate kinase et quel est l’état d’activité de ses formes hépatiques ?
- Quelles pathologies sont associées aux déficits en aldolase, en PFK musculaire, en pyruvate kinase et en pyruvate déshydrogénase ?
- Elle se déroule dans le cytosol et produit directement du pyruvate.
- Anaérobiose : 2 ATP par glucose ; aérobiose : 38 ATP par glucose.
- GLUT4 est insulinodépendant ; GLUT2 est présent dans le foie et les cellules β du pancréas.
- Le glucose peut provenir de la néoglucogenèse hépatique ; le glucose 6-phosphate provient aussi de la glycogénolyse hépatique et musculaire.
- Réactions 1 à 5 : investissement de 2 ATP. Réactions 6 à 10 : production de 4 ATP.
- Réactions 1, 3 et 10 ; la réaction 3, catalysée par la PFK1, est la régulation majeure.
- Le G6P est isomérisé en F6P, puis le F6P en F1,6BP. Celui-ci est clivé en GA3P et DHAP ; le DHAP est isomérisé en GA3P.
- Le NAD⁺ est le coenzyme de la GA3PDH et est réduit en NADH, H⁺. Deux NADH, H⁺ sont produits par glucose.
- Quatre ATP sont produits, deux sont consommés : le bilan net est de 2 ATP par glucose.
- En aérobiose, il est oxydé dans la mitochondrie en CO₂ et H₂O via le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire. En anaérobiose, il est réduit en lactate, ce qui régénère le NAD⁺.
- ATP et citrate inhibent la PFK1 ; le F2,6BP l’active.
- Au foie, le glucagon diminue le F2,6BP et favorise la forme phosphorylée inactive de la pyruvate kinase ; l’insuline augmente le F2,6BP et favorise la forme non phosphorylée active. Dans le cœur, l’adrénaline augmente le F2,6BP et accélère la glycolyse.
- Contrôle allostérique et contrôle par phosphorylation/déphosphorylation. La forme phosphorylée hépatique est inactive ; la forme non phosphorylée est active.
- Aldolase ou pyruvate kinase dans les globules rouges : anémie hémolytique. PFK musculaire : faible capacité à l’effort, améliorée par un régime riche en acides gras. Pyruvate déshydrogénase : accumulation de pyruvate, acidose lactique souvent létale, hausse du lactate sanguin et accidents circulatoires ou IDM mentionnés.