Glycolyse aérobie: réactions et devenir des intermédiaires glycolytiques
La glycolyse aérobie ou aérobie est définie comme l'utilisation d'un excès de glucose qui n'est pas transformé par phosphorylation oxydative pour former des produits "fermentatifs", même dans des conditions de fortes concentrations en oxygène et malgré la baisse d'efficacité énergétique.
On le trouve couramment dans les tissus à taux de prolifération élevé, dont la consommation de glucose et d'oxygène est élevée. Des exemples en sont les cellules tumorales cancéreuses, certaines cellules parasitaires du sang de mammifères et même les cellules de certaines zones du cerveau des mammifères.
L'énergie extraite par le catabolisme du glucose est conservée sous forme d'ATP et de NADH, utilisés en aval par diverses voies métaboliques.
Au cours de la glycolyse aérobie, le pyruvate est dirigé vers le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons, mais il est également traité par voie fermentative pour la régénération du NAD + sans production supplémentaire d'ATP, qui se termine par la formation de lactate.
La glycolyse aérobie ou anaérobie se produit principalement dans le cytosol, à l'exception d'organismes tels que les trypanosomatides, qui possèdent des organites glycolytiques spécialisés appelés glycosomes.
La glycolyse est l’une des voies métaboliques les plus connues. Il a été entièrement formulé dans les années 1930 par Gustav Embden et Otto Meyerhof, qui ont étudié la voie dans les cellules du muscle squelettique. Cependant, la glycolyse aérobie est connue sous le nom d’effet Warburg depuis 1924.
Les réactions
Le catabolisme aérobie du glucose se produit en dix étapes catalysées par voie enzymatique. De nombreux auteurs considèrent que ces étapes sont divisées en une phase d'investissement dans l'énergie, qui vise à augmenter le contenu d'énergie libre dans les intermédiaires, et une autre de remplacement et de gain d'énergie sous forme d'ATP.
Phase d'investissement énergétique
1-Phosphorylation du glucose en glucose 6-phosphate catalysé par l'hexokinase (HK). Dans cette réaction, une molécule d'ATP, qui agit en tant que donneur de groupe phosphate, est inversée pour chaque molécule de glucose. Il donne du glucose 6-phosphate (G6P) et de l'ADP, et la réaction est irréversible.
L'enzyme nécessite nécessairement la formation d'un Mg-ATP2- complet pour son fonctionnement, raison pour laquelle des ions magnésium sont nécessaires.
2-Isomérisation du G6P en fructose 6-phosphate (F6P). Il n’entraîne aucune dépense d’énergie et est une réaction réversible catalysée par la phosphoglucose isomérase (PGI).
3-Phosphorylation de F6P en fructose 1, 6-bisphosphate catalysée par la phosphofructokinase-1 (PFK-1). Une molécule d'ATP est utilisée en tant que donneur de groupe phosphate et les produits de la réaction sont F1.6-BP et ADP. Grâce à sa valeur de ΔG, cette réaction est irréversible (tout comme la réaction 1).
Répartition 4-catalytique de F1.6-BP en phosphate de dihydroxyacétone (DHAP), un cétose et le glycéraldéhyde 3-phosphate (GAP), un aldose. L'enzyme aldolase est responsable de cette condensation réversible d'aldol.
La 5-triose phosphate isomérase (TIM) est responsable de l'interconversion du triose phosphate: DHAP et GAP, sans apport d'énergie supplémentaire.
Phase de récupération d'énergie
Le 1-GAP est oxydé par la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GAPDH), qui catalyse le transfert d'un groupe phosphate en GAP pour former du 1, 3-biphosphoglycérate. Dans cette réaction, deux molécules de NAD + sont réduites par molécule de glucose et deux molécules de phosphate inorganique sont utilisées.
Chaque NADH produit traverse la chaîne de transport d'électrons et 6 molécules d'ATP sont synthétisées par phosphorylation oxydative.
La 2-phosphoglycérate kinase (PGK) transfère un groupe phosphoryle du 1, 3-biphosphoglycérate à l'ADP, formant deux molécules d'ATP et deux des 3-phosphoglycérates (3PG). Ce processus est connu sous le nom de phosphorylation au niveau du substrat.
Les deux molécules d'ATP consommées dans les réactions de la HK et de la PFK sont remplacées par la PGK à cette étape de la voie.
3-La 3PG est convertie en 2PG par la phosphoglycerate mutase (PGM), qui catalyse le déplacement du groupe phosphoryle entre le carbone 3 et 2 du glycérate en deux étapes et de manière réversible. L'ion magnésium est également requis par cette enzyme.
La réaction de déshydratation de 4-A catalysée par l'énolase convertit le 2PG en phosphoénolpyruvate (PEP) en une réaction ne nécessitant pas d'inversion d'énergie, mais générant un potentiel énergétique supérieur pour le transfert ultérieur du groupe phosphate.
5-Enfin, la pyruvate kinase (PYK) catalyse le transfert du groupe phosphoryle du PEP à une molécule d'ADP, avec production concomitante de pyruvate. Deux molécules d'ADP sont utilisées par molécule de glucose et 2 molécules d'ATP sont générées. PYK utilise des ions potassium et magnésium.
Ainsi, le rendement énergétique total de la glycolyse est de 2 molécules d’ATP pour chaque molécule de glucose qui entre dans la voie. Dans des conditions aérobies, la dégradation complète du glucose implique l’obtention de 30 à 32 molécules d’ATP.
Destination des intermédiaires glycolytiques
Après glycolyse, le pyruvate est soumis à une décarboxylation, produisant du CO2 et donnant le groupe acétyle à l'acétyl-coenzyme A, qui est également oxydé en CO2 dans le cycle de Krebs.
Les électrons libérés au cours de cette oxydation sont transportés en oxygène par les réactions de la chaîne respiratoire mitochondriale, qui pilote en définitive la synthèse de l'ATP dans cet organite.
Au cours de la glycolyse aérobie, l'excès de pyruvate produit est traité par l'enzyme lactate déshydrogénase, qui forme le lactate et régénère une partie du NAD + consommé au cours des étapes de glycolyse, mais sans formation de nouvelles molécules d'ATP.
En outre, le pyruvate peut être utilisé dans des processus anaboliques conduisant par exemple à la formation de l'acide aminé alanine, ou peut également servir de squelette pour la synthèse des acides gras.
Comme le pyruvate, produit final de la glycolyse, de nombreux intermédiaires de réaction remplissent d'autres fonctions dans les voies cataboliques ou anaboliques importantes pour la cellule.
C'est le cas du glucose 6-phosphate et de la voie du pentose phosphate, dans lesquels des intermédiaires des ribosomes présents dans les acides nucléiques sont obtenus.
