Biochimie : Glycolyse, Cycle de Krebs et Métabolisme

La Glycolyse

La glycolyse est une voie métabolique essentielle qui dégrade le glucose pour produire de l'énergie.

Phase d'investissement (Consommation d'ATP)

1. Phosphorylation : Glucose + ATP - (Hexokinase) → ADP + Glucose-6-phosphate (G6P)
2. Glucose-6-phosphate ↔ (Phosphohexose isomérase) → Fructose-6-phosphate (Fru6P)
3. Phosphorylation : Fructose-6-phosphate + ATP - (PFK-1) → Fructose-1,6-bisphosphate (Fru1,6BP) + ADP
4. Fructose-1,6-bisphosphate ↔ (Aldolase) → Dihydroxyacétone phosphate (DHAP) + Glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P)
5. Dihydroxyacétone phosphate ↔ (Triose phosphate isomérase) → Glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P)

Phase de production d'énergie (Gain d'ATP)

6. G3P + NAD⁺ + Pi - (GA3P déshydrogénase) → 1,3-bisphosphoglycérate (1,3-BPG) + NADH + H⁺
7. Déphosphorylation : 1,3-BPG + ADP ↔ (Phosphoglycérate kinase) → 3-Phosphoglycérate + ATP
8. Isomérisation : 3-Phosphoglycérate ↔ (Phosphoglycérate mutase) → 2-Phosphoglycérate
9. 2-Phosphoglycérate ↔ (Énolase) → Phosphoénolpyruvate (PEP) + H₂O
10. Déphosphorylation : PEP + ADP - (Pyruvate kinase) → Pyruvate + ATP

Rendement de la Glycolyse

Le rendement net de la glycolyse est de 2 NADH et 2 ATP par molécule de glucose. Chaque NADH produit dans la chaîne de transport d'électrons génère environ 2,5 ATP.

Décarboxylation Oxydative du Pyruvate

Le pyruvate subit une décarboxylation oxydative : il perd une molécule de CO₂ et des électrons, qui réduisent le NAD⁺ en NADH + H⁺. Il se forme alors une molécule d'acétyl-CoA, catalysée par l'enzyme pyruvate déshydrogénase (PDH), qui entre dans le cycle de Krebs.

Régulation de la Glycolyse

Les étapes clés de la régulation sont les réactions 1, 3 et 10 :

• L'hexokinase est inhibée par le glucose-6-phosphate (G6P) dans le muscle.
• La PFK-1 est inhibée par des concentrations élevées d'ATP et de citrate (qui signalent une abondance d'énergie). Elle est activée par de faibles concentrations d'ATP, d'ADP ou d'AMP, ainsi que par le fructose-2,6-bisphosphate (F-2,6-BP).
• La pyruvate kinase (PK) est inhibée par l'ATP et l'acétyl-CoA. Elle est activée par le fructose-2,6-bisphosphate (F-2,6-BP).

La Gluconéogenèse

La gluconéogenèse est le processus de synthèse du glucose à partir de précurseurs non glucidiques. Elle est cruciale pour maintenir la glycémie, notamment en période de jeûne.

• Elle convertit des molécules comme le pyruvate, le lactate, certains acides aminés (alanine), le propionate et le glycérol en glucose.
• Elle se déroule principalement dans le foie (environ 90%) et, dans une moindre mesure, dans les reins (environ 10%).
• Bilan énergétique : 2 Pyruvate + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H₂O → Glucose + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD⁺

La Glycogénolyse

La glycogénolyse est la dégradation du glycogène, la forme de stockage du glucose, pour libérer des unités de glucose.

• La glycogène phosphorylase retire les unités de glucose des extrémités non réductrices du glycogène, s'arrêtant à quatre molécules de glucose de la branche.
• L'enzyme de débranchement (glucantransférase) transfère trois molécules de glucose de la branche vers la chaîne principale et libère la dernière molécule de glucose restante sous forme de glucose libre.

Régulation de la Glycogénolyse et Glycogénogenèse

• La glycogène synthase (synthèse du glycogène) existe sous deux formes : la synthase I (active, déphosphorylée, indépendante du G6P) et la synthase D (moins active, phosphorylée, dépendante du G6P).
• La glycogène phosphorylase (dégradation du glycogène) existe sous deux formes : la phosphorylase a (active, phosphorylée) et la phosphorylase b (moins active, déphosphorylée).
• L'adrénaline et le glucagon activent la glycogène phosphorylase et inhibent la glycogène synthase.
• L'insuline inactive la glycogène phosphorylase et active la glycogène synthase.

Le Cycle de Krebs (Cycle de l'Acide Citrique)

Le cycle de Krebs est une voie métabolique centrale qui complète l'oxydation des glucides, des lipides et des protéines, produisant de l'ATP et des coenzymes réduites.

• Le cycle est alimenté par l'acétyl-CoA, produit notamment par la décarboxylation oxydative du pyruvate.
• L'acétyl-CoA (2C) se condense avec l'oxaloacétate (4C) pour former le citrate (6C).
• Par une série de réactions, le citrate est reconverti en oxaloacétate, permettant au cycle de continuer.
• Chaque tour du cycle consomme une molécule d'acétyl-CoA et produit deux molécules de CO₂.
• Il réduit également 3 NAD⁺ en 3 NADH + H⁺ et 1 FAD en 1 FADH₂.
• Bilan par molécule d'acétyl-CoA : 1 GTP, 3 NADH, 1 FADH₂, 2 CO₂.
• Puisqu'une molécule de glucose produit deux molécules de pyruvate, qui à leur tour produisent deux molécules d'acétyl-CoA, le bilan pour une molécule de glucose passant par le cycle de Krebs est : 2 GTP, 6 NADH, 2 FADH₂, 4 CO₂.

Régulation du Cycle de Krebs

Les enzymes clés régulant le cycle de Krebs sont :

• La citrate synthase
• L'isocitrate déshydrogénase (IDH)
• L'alpha-cétoglutarate déshydrogénase

Ces enzymes sont principalement inhibées par des concentrations élevées d'ATP, signalant un état énergétique suffisant de la cellule.

Voies Métaboliques Convergentes

Le cycle de Krebs est un carrefour métabolique où convergent les voies de dégradation des glucides, des protéines et des lipides.

Métabolisme des Glucides

Les glucides sont dégradés par la glycolyse en 2 molécules de pyruvate, qui sont ensuite converties en acétyl-CoA dans la matrice mitochondriale pour entrer dans le cycle de Krebs.

Métabolisme des Protéines

Les protéines sont dégradées par les protéases en acides aminés. Ces acides aminés peuvent être utilisés pour la synthèse de nouvelles protéines ou pour la production d'énergie en entrant dans le cycle de Krebs. Pour cela, leurs groupes amino (terminaux et latéraux) sont retirés par des transaminases et des désaminases.

Métabolisme des Lipides

L'hydrolyse des triglycérides libère du glycérol et des acides gras.

• Dans le foie, le glycérol peut être converti en glucose via le dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) par la gluconéogenèse (voie anabolique).
• Les acides gras sont dégradés dans la matrice mitochondriale par des cycles successifs de bêta-oxydation, produisant de l'acétyl-CoA qui peut entrer dans le cycle de Krebs.
• Le cycle de Krebs peut également générer du propionyl-CoA (C3), qui peut être utilisé pour la synthèse de glucose via la gluconéogenèse hépatique.

Bilan Énergétique Global

Le rendement énergétique total de la respiration cellulaire est d'environ 30 à 32 ATP par molécule de glucose, selon la navette utilisée pour transporter les électrons du NADH cytosolique vers la mitochondrie (navette malate-aspartate : 32 ATP ; navette glycérol-3-phosphate : 30 ATP).