7.2 La glycolyse

Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de faire ce qui suit :

• Décrire le résultat global en termes de molécules produites pendant la dégradation chimique du glucose par glycolyse
• Comparer la production de glycolyse en termes de molécules d’ATP et de molécules de NADH produites

Comme vous l’avez lu, presque toute l’énergie utilisée par les cellules vivantes leur vient dans les liens du glucose. La glycolyse est la première étape de la décomposition du glucose pour extraire l’énergie nécessaire au métabolisme cellulaire. En fait, presque tous les organismes vivants effectuent la glycolyse dans le cadre de leur métabolisme. Le procédé n’utilise pas d’oxygène directement et est donc appelé anaérobie. La glycolyse se produit dans le cytoplasme des cellules procaryotes et eucaryotes. Le glucose pénètre dans les cellules hétérotrophes de deux façons. L’une des méthodes consiste en un transport actif secondaire dans lequel le transport a lieu contre le gradient de concentration de glucose. L’autre mécanisme utilise un groupe de protéines intégrales appelées protéines GLUT, également connues sous le nom de transporteurs de glucose. Ces transporteurs facilitent la diffusion du glucose.

La glycolyse commence par la structure en forme d’anneau à six carbones d’une seule molécule de glucose et se termine par deux molécules d’un sucre à trois carbones appelé pyruvate. La glycolyse comporte deux phases distinctes. La première partie de la voie de la glycolyse emprisonne la molécule de glucose dans la cellule et utilise l’énergie pour la modifier afin que la molécule de sucre à six carbones puisse être divisée uniformément en deux molécules de trois carbones. La deuxième partie de la glycolyse extrait l’énergie des molécules et la stocke sous forme d’ATP et de NADH. N’oubliez pas qu’il s’agit de la forme réduite de NAD⁺.

Première moitié de la glycolyse (étapes nécessitant de l’énergie)

Étape 1. La première étape de la glycolyse (Figure 7.8) est catalysée par l’hexokinase, une enzyme à grande spécificité qui catalyse la phosphorylation des sucres à six carbones. L’hexokinase phosphoryle le glucose en utilisant l’ATP comme source de phosphate, ce qui produit du glucose-6-phosphate, une forme de glucose plus réactive. Cette réaction empêche la molécule de glucose phosphorylé de continuer à interagir avec les protéines GLUT, et elle ne peut plus quitter la cellule parce que le phosphate chargé négativement ne lui permettra pas de traverser l’intérieur hydrophobe de la membrane plasmatique.

Étape 2. À la deuxième étape de la glycolyse, une isomérase convertit le glucose-6-phosphate en un de ses isomères, le fructose-6-phosphate (cet isomère a un phosphate fixé à l’emplacement du sixième carbone du cycle). Une isomérase est une enzyme qui catalyse la conversion d’une molécule en un de ses isomères. (Ce changement du phosphoglucose au phosphofructose permet la division éventuelle du sucre en deux molécules de trois carbones.)

Étape 3. La troisième étape est la phosphorylation du fructose-6-phosphate, catalysé par l’enzyme. Une deuxième molécule d’ATP donne un phosphate de haute énergie au fructose-6-phosphate, produisant du fructose-1,6- bisphosphate. Dans cette voie, la phosphofructokinase est une enzyme limitant la vitesse. Elle est active lorsque la concentration d’ADP est élevée ; elle est moins active lorsque les niveaux d’ADP sont faibles et que la concentration d’ATP est élevée. Par conséquent, s’il y a suffisamment d’ATP dans le système, la voie ralentit. Il s’agit d’un type d’inhibition du produit final, puisque l’ATP est le produit final du catabolisme du glucose.

Étape 4. Les phosphates de haute énergie nouvellement ajoutés déstabilisent davantage le fructose-1,6-bisphosphate. La quatrième étape de la glycolyse utilise une enzyme, l’aldolase, pour cliver le fructose-1,6-bisphosphate en deux isomères tricarbonés : le phosphate de dihydroxyacétone et le glycéraldéhyde-3-phosphate.

Étape 5. À la cinquième étape, une isomérase transforme le dihydroxyacétone-phosphate en son isomère, le glycéraldéhyde-3-phosphate. Ainsi, la voie se poursuivra avec deux molécules d’un glycéraldéhyde-3-phosphate. À ce stade de la voie, il y a un investissement net d’énergie provenant de deux molécules d’ATP dans la dégradation d’une molécule de glucose.

Deuxième moitié de la glycolyse (étapes de libération d’énergie)

Jusqu’à présent, la glycolyse a coûté à la cellule deux molécules d’ATP et a produit deux petites molécules de sucre à trois carbones. Ces deux molécules entreront la seconde moitié de la voie, et une énergie suffisante sera extraite pour rembourser les deux molécules ATP utilisées comme investissement initial et produire un profit pour la cellule de deux molécules d’ATP supplémentaires et de deux molécules de NADH à énergie encore plus élevée.

Étape 6. La sixième étape de la glycolyse (Figure 7.9) consiste à oxyder le sucre (glycéraldéhyde-3-phosphate), en extrayant des électrons de haute énergie, qui sont captés par le porteur d’électrons NAD⁺, ce qui produit du NADH. Le sucre est ensuite phosphorylé par l’ajout d’un deuxième groupement phosphate, ce qui produit du 1,3-bisphosphoglycérate. Il est à noter que le deuxième groupement phosphate n’a pas besoin d’une autre molécule d’ATP.

Encore une fois, il y a un facteur limitatif potentiel pour cette voie. La poursuite de la réaction dépend de la disponibilité de la forme oxydée du porteur d’électrons, NAD⁺. Par conséquent, le NADH doit être oxydé continuellement en NAD⁺ afin de maintenir cette étape. Si le NAD⁺ n’est pas disponible, la deuxième moitié de la glycolyse ralentit ou cesse. Si l’oxygène est disponible dans le système, le NADH sera oxydé facilement, quoiqu’indirectement, et les électrons de haute énergie provenant de l’hydrogène rejeté dans ce procédé seront utilisés pour produire de l’ATP. Dans un environnement sans oxygène, une autre voie (la fermentation) peut fournir l’oxydation du NADH en NAD⁺.

Étape 7. À la septième étape, catalysée par la phosphoglycérate kinase (une enzyme nommée pour la réaction inverse), le 1,3-bisphosphoglycérate donne un phosphate de haute énergie à l’ADP, formant ainsi une molécule d’ATP. (Il s’agit d’un exemple de phosphorylation au niveau du substrat.) Un groupement carbonyle sur le 1,3-bisphosphoglycérate est oxydé en groupement carboxyle, et le 3-phosphoglycérate est formé.

Étape 8. À la huitième étape, le groupement phosphate restant du 3-phosphoglycérate passe du troisième carbone au deuxième carbone, produisant du 2-phosphoglycérate (un isomère du 3-phosphoglycérate). L’enzyme catalysant cette étape est une mutase (isomérase).

Étape 9. L’énolase catalyse la neuvième étape. Cette enzyme entraîne la perte d’eau du 2-phosphoglycérate de sa structure ; il s’agit d’une réaction de déshydratation qui entraîne la formation d’une double liaison qui augmente l’énergie potentielle de la liaison phosphate restante et produit du phosphoénolpyruvate (PEP).

Étape 10. La dernière étape de la glycolyse est catalysée par l’enzyme pyruvate kinase (l’enzyme dans ce cas est nommée pour la réaction inverse de conversion du pyruvate en PEP) et entraîne la production d’une deuxième molécule d’ATP par phosphorylation au niveau du substrat et du composé acide pyruvique (ou sa forme de sel, le pyruvate). De nombreuses enzymes dans les voies enzymatiques sont nommées pour les réactions inverses, car l’enzyme peut catalyser des réactions avant et inverses (ces réactions peuvent avoir été décrites initialement par la réaction inverse qui a lieu in vitro, dans des conditions non physiologiques).

Résultats de la glycolyse

La glycolyse commence par le glucose et produit deux molécules de pyruvate, quatre nouvelles molécules d’ATP et deux molécules de NADH. (Remarque : deux molécules d’ATP sont utilisées dans la première moitié de la voie pour préparer le cycle à six carbones en vue du clivage, de sorte que la cellule a un gain net de deux molécules d’ATP et de deux molécules NADH pour son utilisation). Si la cellule ne peut pas cataboliser davantage les molécules de pyruvate, elle ne récoltera que deux molécules d’ATP à partir d’une molécule de glucose. Les globules rouges des mammifères matures n’ont pas de mitochondries et ne sont donc pas capables d’utiliser la respiration aérobie — le processus par lequel les organismes convertissent l’énergie en présence d’oxygène — et la glycolyse est leur seule source d’ATP. Si la glycolyse est interrompue, ces cellules perdent leur capacité de maintenir leurs pompes sodium-potassium et finissent par mourir.

La dernière étape de la glycolyse n’aura pas lieu si la pyruvate kinase, l’enzyme qui catalyse la formation du pyruvate, n’est pas disponible en quantité suffisante. Dans ce cas, toute la voie de la glycolyse se poursuivra, mais seulement deux molécules d’ATP seront produites dans la seconde moitié. Par conséquent, le pyruvate kinase est une enzyme limitant la vitesse de la glycolyse.