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Régulation de la glycolyse |
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5. La phosphofructokinase-2 6. La charge énergétique adénylique 7. Rôle de l'insuline 8. Liens Internet et références bibliographiques |
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1. Préambule La glycolyse produit de l'énergie rapidement mais sur de courtes durées. La régulation de la glycolyse est liée aux besoins énergétiques de la cellule. Les sites de régulation de la glycolyse correspondent aux 3 étapes irréversibles de cette voie métabolique. Ce sont les réactions catalysées par des enzymes à régulation allostérique. La modulation de l'activité de ces enzymes est un moyen de contrôler le flux global de la glycolyse. Enfin, pour bien comprendre la régulation de la glycolyse, il faut aussi prendre en compte le rôle clé d'une enzyme qui ne fait pas partie de cette voie métabolique mais qui a une incidence majeure sur le métabolisme énergétique en général : la protéine kinase activée par l'AMP ("5'-AMP-activated protein kinase") ou AMPK. |
| Résumé des activateurs (A) et des inhibiteurs (I) | |||
| hexokinase* | phosphofructokinase | pyruvate kinase | |
| glucose 6-phosphate | I | ||
| fructose 1,6-bisphosphate | A | ||
| fructose 2,6-bisphosphate | A | A (pour certains organismes tels que Kinetoplastida - Trypanosoma) | |
| ATP | I (site étérotrope - concentrations > 10-3 M) | I | |
| ADP | A | A (substrat - effet homotrope) | |
| AMP | A | I | |
| acétyl CoA | I | ||
| NADH | A puis I | ||
| citrate | I | I | |
| PEP | I | A | |
| Pi | A | ||
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*La glucokinase n'est pas inhibée par le glucose 6-phosphate. La glucokinase possède un motif de fixation de la [PFK-2 / FBPase-2] qui la stabilise dans sa forme active. |
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| 2. L'hexokinase et la glucokinase |
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L'hexokinase (E.C. 2.7.1.1) est inhibée par le produit de la réaction qu'elle catalyse : le glucose-6-phosphate. Cette inhibition se fait de deux manière :
L'inhibition de l'hexokinase par son produit permet que les cellules n'accumulent pas le glucose quand la concentration cellulaire du glucose-6-phosphate est élevée. La régulation de l'hexokinase n'est pas un point de contrôle majeur du flux de la glycolyse car une grande partie du glucose-6-phosphate provient de l'hydrolyse du glycogène : glycogène --> glucose 1-phosphate --> isomérisation en glucose 6-phosphate par la phosphoglucomutase. |
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En conséquence la réaction catalysée par l'hexokinase peut être contournée. En revanche, la régulation de l'hexokinase est importante pour réverser la glycolyse et activer la néoglucogénèse quand la concentration en ATP est élevée. |
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La glucokinase (E.C. 2.7.1.2) est l'isoforme IV de l'hexokinase (mammifères) que l'on trouve dans le foie. Elle a un KM élevé pour le glucose et n'est donc active qu'à fortes concentrations de glucose (figure ci-contre) :
Le KM élevé de la glucokinase pour le glucose permet que le foie stocke celui-ci sous forme de glycogène quand le taux de glucose sanguin est élevé. |
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A l'inverse la glucose-6-phosphatase du foie (enzyme de la néoglucogénèse - E.C. 3.1.3.9) catalyse l'hydrolyse du glucose-6-phosphate et le glucose est relargué dans le sang ce qui maintient sa concentration circulante. En conséquence, ces deux enzymes (glucokinase et glucose-6-phosphatase), que l'on ne trouve quasi exclusivement que dans le foie, permettent à celui-ci de contrôler le taux de glucose sanguin. |
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La glucokinase n'est pas inhibée par le glucose-6-phosphate. La glucokinase est inhibée par une protéine de régulation : la "glucokinase regulatory protein" (GKRP), avec laquelle elle forme un complexe. La transcription du gène codant la glucokinase est activé par l'insuline. Il a été montré que la glucokinase possède un motif de fixation de la phosphofructokinase-2 / fructose 2,6-bisphosphatase [PFK-2 / FBPase-2]. Ce motif (SLKVWT) correspond au domaine phosphatase de la [PFK-2 / FBPase-2]. Cette interaction stabilise la forme active de la glucokinase (Baltrusch & Tiedge, 2006). |
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3. La phosphofructokinase-1 (PFK-1) Elle joue un rôle primordial dans la régulation du flux de la glycolyse. En effet, l'activité de cette enzyme est régulée par la concentration de ces substrats (l'ATP et le fructose 6-phosphate) mais aussi par celles de de nombreux effecteurs liés à la production d'énergie (ATP) par la phosphorylation oxydative. Ces effecteurs sont :
L'ATP est un cas particulier : c'est l'un des deux substrats de la PFK-1 mais c'est aussi un effecteur. En effet la PFK-1 possède :
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1. Partie gauche de la courbe de saturation Elle reflète l'effet de l'ATP sur la vitesse de la réaction enzymatique en tant que substrat. L'allure hyperbolique de cette première partie de la courbe indique que la fixation de l'ATP aux 4 sites catalytiques (la PFK-1 est un homotétramère) s'effectue selon un mécanisme "Michaelien" (voir le cours). Celà signifie qu'il n'y a pas d'effet coopératif dans la fixation des molécules d'ATP. 2. Partie droite de la courbe de saturation : A partir d'une certaine concentration, des molécules d'ATP se fixent sur un site qui n'est pas le site catalytique : ce site est lié à la régulation de l'activité catalytique. C'est un site dit effecteur : certaines molécules d'ATP n'agissent plus comme substrat mais comme effecteur :
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3. En conséquence : Une partie des molécules d'enzyme étant inactive, la concentration réelle de complexe enzyme - substrat ([ES]) est moindre que la concentration d'enzyme. La vitesse de catalyse diminue puisque : vi = kcat x [ES]. |
Les différentes phosphofructokinases : nomenclatures et réactions catalysées - Les liens renvoient vers la base de données "Expasy". |
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| EC | Nomenclature | Réaction catalysée |
| 2.7.1.11 |
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ATP + D-fructose 6-phosphate ---> ADP + D-fructose 1,6-bisphosphate |
| 2.7.1.56 |
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ATP + D-fructose 1-phosphate ---> ADP + D-fructose 1,6-bisphosphate |
| 2.7.1.90 |
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diphosphate + D-fructose 6-phosphate ---> phosphate + D-fructose 1,6-bisphosphate |
| 2.7.1.105 |
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ATP + D-fructose 6-phosphate <==> ADP + D-fructose 2,6-bisphosphate |
| 2.7.1.146 |
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ADP + D-fructose 6-phosphate ---> AMP + D-fructose 1,6-bisphosphate |
| 4. La pyruvate kinase (E.C. 2.7.1.40) |
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Elle est activée par le fructose 1,6-bisphosphate. Or ce métabolite se situe en amont de la réaction catalysée par la pyruvate kinase : on appelle ce phénomène "feed - forward". En revanche la pyruvate kinase est inhibée par l'ATP. |
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La réaction catalysée par la pyruvate kinase est controlée dans le foie en partie par la modulation de la quantité d'enzyme synthétisée. La transcription du gène codant la pyruvate kinase est sous le contrôle d'un facteur de transcription : "Carbohydrate Responsive Element Binding Protein" - ChREBP. |
L'AMP cyclique (AMPc) active la protéine kinase A qui, à son tour, phosphoryle ChREBP :
A l'inverse, de fortes concentrations de glucose activent la protéine phosphatase 2A xylulose-5-phosphate-dépendante qui déphosphoryle Ser 196 et Thr 666 ce qui entraîne la délocalisation de ChREBP dans le noyau où il active la transcription du gène codant la pyruvate kinase. L'excès de glucose est alors converti en pyruvate puis en acétyl-CoA, le principal précurseur de la synthèse des acides gras, qui est la forme de stockage de l'énergie à long terme.
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Source : Biocarta |
| 5. La phosphofructokinase-2 (E.C. 2.7.1.105) |
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Le fructose 2,6-bisphosphate (F2,6BP) est formé à partir du fructose 6-phosphate par la phosphofructokinase-2 ou PFK-2. La PFK-2 est un homodimère d'environ 100.000 daltons. |
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Le F2,6BP est un puissant activateur de la PFK-1 (sauf chez certains protistes pour lesquels il est activateur de la pyruvate kinase). Dans le foie, le F2,6BP est un inhibiteur de la fructose-1,6-bisphosphatase, une enzyme de la gluconéogenèse. Le citrate est un inhibiteur de la PFK-2 : il y a moins de F2,6BP synthétisé. Or ce dernier étant un activateur de la PFK-1, celà amplifie l'effet inhibiteur de la PFK-1 par le citrate. |
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Régulation de la PFK-2 par le glucagon Dans le foie, la PFK-2 est sous le contrôle du glucagon, une hormone produite par le pancréas quand le taux de glucose sanguin s'abaisse. Quand la concentration du glucagon augmente, la protéine kinase AMP cyclique dépendante (PKA) phosphoryle une sérine ou une thréonine de la [PFK-2 / FBPase-2] (exemples : foie de rat : S32 - coeur de boeuf : S84 - levure : T157). La déphosphorylation est catalysée par la protéine phosphatase 2A xylulose-5-phosphate-dépendante qui est activée par le glucose (voir ci-dessus).
La phosphorylation :
Il en résulte une baisse de concentration du F2,6BP et la PFK-1 est moins activée. En conséquence, la glycolyse est ralentie. |
K/B : rapport des activités PFK-2 / FBPase-2 HGP : production du glucose par le foie Source : Okar et al. (2001) |
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Cette relation exprime la fraction molaire en ATP (qui contient 2 liaisons phosphoanhydride à haut potentiel énergétique) plus la moitié de la fraction molaire en ADP (qui n'en contient qu'une). La CEA est donc une mesure de l'énergie disponible à un instant donné dans une cellule, un tissu ou un organisme. Il s'agit d'un paramètre de valeur universelle atteignant des valeurs comparables chez tous les organismes vivants. La CEA est très sensible aux variations de l'environnement interne des organismes (stress) ou de l'environnement extérieur : plus un organisme subit l'effet d'un stress, plus il consomme d'énergie (donc d'ATP) pour contre-balancer ces effets, plus la CEA de cet organisme baisse. En théorie, la valeur de la CEA peut varier de 0 (il n'y a que de l'AMP) à 1 (il n'y a que de l'ATP). Cependant, dans la plupart des cellules, la CEA est trés finement régulée et on observe des variations de 0,7 (forte hydrolyse de l'ATP et de l'ADP en AMP) à 0,95 (typiquement une cellule au repos). |
| Quand la valeur de la CEA est élevée, l'énergie que contient la cellule est suffisante : la glycolyse est ralentie. |
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| Quand la valeur est basse, la cellule a besoin d'énergie : la glycolyse est activée. |
| Voir une excellente animation (M. Lalanne - Université Laval - Québec). |
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La mobilisation du glucose par les muscles squelettiques représente environ 70% du glucose prélevé au sérum. Ce processus est donc extrêmement important dans l'homéostasie du glucose. La contraction et l'insuline sont les stimuli majeurs qui activent le transport du glucose dans les muscles squelettiques. |
Maturation de l'insuline L'insuline est synthétisée sous la forme d'un précurseur, la pré-pro-insuline, dans les cellules β des îlots de Langerhans. Le peptide signal est clivé dans le réticulum endoplasmique. Deux ponts disulfure inter-chaînes de l'insuline se forment dès la biosynthèse de la pro-insuline. La chaîne C de la pro-insuline a pour rôle de positionner correctement les chaînes A et B. Quand la pro-insuline est correctement repliée, le peptide C est éliminé et un pont disulfure intra-chaîne se forme. |
L'insuline adopte sa forme fonctionnelle. |
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| Cette maturation par l'élimination du peptide C retarde l'apparition de l'activité hormonale de l'insuline jusqu'à ce qu'elle soit empaquetée dans les granules de sécrétion. |
Visualisation de l'insuline de porc à une résolution de 1,5 Å Code PDB : 4INS Les 4 chaînes (2 fois A et 2 fois B - dimère de dimère) sont colorées. Pour faire apparaître de multiples fonctions du menu Jmol :
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Quand le niveau de glucose circulant est élevé, l'insuline augmente la mobilisation du glucose via une augmentation :
du transporteur insulino-indépendant du glucose GLUT4 ("glucose transporter 4"). Ainsi, le glucose pénètre davantage dans le muscle et le tissu adipeux par l'intermédiaire de ce type de transporteur. |
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L'effet net est une augmentation du stock de glycogène (foie) et une diminution de la production de glucose (muscle, tissu adipeux, foie). Une carence en insuline (diabète insulino dépendant) a donc pour conséquence une élévation de la concentration du glucose sanguin. |
| Aller au site : "Cell Signaling". Dans "Product Pathways" cliquer sur "Glucose metabolism" |
| 8. Liens Internet et références bibliographiques |
| Vision globale du métabolisme (Expasy) - (Figure interactive) | Aller au site |
| "Biocarta" : site interactif sur la signalisation cellulaire | Aller au site |
| "The UCSD-Nature Signaling Gateway" - A comprehensive resource for information about cell signaling. | Aller au site |
KEGG PATHWAY Database |
Aller au site |
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