Régulation de la glycolyse
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1. Préambule

2. L'hexokinase et la glucokinase

3. La phosphofructokinase-1 (PFK-1)

4. La pyruvate kinase

5. La phosphofructokinase-2

6. La charge énergétique adénylique

7. Rôle de l'insuline

8. Liens Internet et références bibliographiques

 

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 (concentrations > 10-3 M : effet hétérotrope) I
ADP   A A (substrat - effet homotrope)
AMP   A I
acétyl CoA     I
NADH   A puis I  
citrate   I I
PEP   I A (substrat - effet homotrope)
Pi   A  

*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.


2. L'hexokinase et la glucokinase

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 manières :

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.

Regulation de l'hexokinase

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.

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) :

  • KMglucokinase = 10 mM
  • KMhexokinase = 0.1 mM
  • [glucose sanguin] = 5 mM

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.

Courbe de saturation de la glucokinase et de l'hexokinase par le glucose libre

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.

glucokinase, glucose 6 phosphatase et glucose 6 phosphate

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 lui-même (voir ci-après)
  • l'ADP
  • l'AMP
  • le phosphoénolpyruvate
  • le phosphate inorganique
  • le citrate
  • le NADH

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 :

  • un site de fixation de l'ATP en tant que substrat (effet homotrope)
  • un site de fixation en tant qu'effecteur (effet hétérotrope)

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 :

  • La fixation de molécules d'ATP sur ce site induit un changement de conformation de certaines molécules d'enzyme.
  • Les sites catalytiques dans cette conformation (dite "tendue" ou "tense", T) ne fixe pas ou trés mal l'ATP.
  • Dans cette conformation T, l'enzyme n'est pas ou trés peu active.

Courbe de saturation de la phosphofructokinase 1 par l'ATP

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".

EC Nomenclature Réaction catalysée
2.7.1.11
  • 6-phosphofructokinase
  • phosphohexokinase
  • phosphofructokinase I
ATP + D-fructose 6-phosphate ---> ADP + D-fructose 1,6-bisphosphate
2.7.1.56
  • 1-phosphofructokinase
  • fructose 1-phosphate kinase
ATP + D-fructose 1-phosphate ---> ADP + D-fructose 1,6-bisphosphate
2.7.1.90
  • diphosphate-fructose-6-phosphate 1-phosphotransferase
  • pyrophosphate-fructose-6-phosphate 1-phosphotransferase
  • 6-phosphofructokinase (pyrophosphate)
  • 6-phosphofructokinase (diphosphate)
  • pyrophosphate-dependent 6-phosphofructose-1-kinase
  • diphosphate-dependent 6-phosphofructose-1-kinase
diphosphate + D-fructose 6-phosphate ---> phosphate + D-fructose 1,6-bisphosphate
2.7.1.105
  • 6-phosphofructo-2-kinase
  • phosphofructokinase 2
ATP + D-fructose 6-phosphate <==> ADP + D-fructose 2,6-bisphosphate
2.7.1.146
  • ADP-specific phosphofructokinase
  • ADP-6-phosphofructokinase
  • ADP-dependent phosphofructokinase
ADP + D-fructose 6-phosphate ---> AMP + D-fructose 1,6-bisphosphate

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4. La pyruvate kinase (E.C. 2.7.1.40)

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.

Regulation de l'activite de la pyruvate kinase

La réaction catalysée par la pyruvate kinase est controlée dans le foie en partie par la modulation de la quantité d'enzyme synthétisée.

C'est le cas d'un très grand nombre d'enzymes qui contrôlent le flux d'une voie métabolique.

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 :

  • la phosphorylation de Ser 196 inactive l'importation de ChREBP dans le noyau
  • la phosphorylation de Thr 666 empêche la fixation de ChREBP sur l'ADN

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 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.

Régulation de la biosynthese de la pyruvate kinase

Source : Biocarta

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5. La phosphofructokinase-2 (E.C. 2.7.1.105)

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.

Formation du fructose 2,6-bisphosphate

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.

Regulation de l'activite de la phosphofructokinase 1 par le fructose 2,6-bisphosphate et le citrate

Dans les cellules humaines, le citrate cytosolique est un précurseur capital pour la synthèse des acides gras, des triacyl-glycérols, du cholestérol et des lipoprotéines de faible densité ("low-density lipoprotein").

De plus, le citrate cytosolique régule la balance énergétique de la cellule en activant la synthèse des acides gras et en ralentissant la glycolyse et la β-oxidation des acides gras.

La vitesse de synthèse des acides gras dans le foie et les cellules adipeuses (les 2 principaux tissus pour cette synthèse) est directement corrélée à la concentration du citrate dans le cytosol. Cette concentration dépend partiellement de l'import du citrate au travers de la membrane plasmique via le transporteur Na+-citrate.

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 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).

[PFK-2 / FBPase-2]-OH

PKA
----------------->
<-----------------
protéine phosphatase 2A

[PFK-2 / FBPase-2]-PO32-

activité PFK-2
 
activité FBPase-2

La phosphorylation :

  • réduit son activité kinase (synthèse du F2,6BP)
  • augmente son activité phosphatase

Il en résulte une baisse de concentration du F2,6BP et la PFK-1 est moins activée.

En conséquence, la glycolyse est ralentie.

Equilibre entre la forme phosphofructokinase 2 et la forme fructose-1,6-bisphosphatase

K/B : rapport des activités PFK-2 / FBPase-2

HGP : production du glucose par le foie

Source : Okar et al. (2001)

6. La charge énergétique adénylique (Atkinson, DE, 1968)

La charge énergétique adénylique (CEA) de la cellule est définie par la relation :

           [ATP] + 1/2 [ADP]
-----------------------------------------
     [ATP] + [ADP] + [AMP]

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 un senseur énergétique de la cellule qui lui permet de mesurer l'énergie dont elle dispose à un instant donné.

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.

La charge energetique adenylique ou CEA

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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7. Rôle de l'insuline

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.

Dans une cellule non stimulée ou quand la concentration en insuline est faible, le transporteur insulino-dépendant du glucose GLUT4 ("glucose transporter 4" - gène : SLC2A4) est localisé dans des vésicules de stockage des cellules hépatiques et musculaires.

Quand le niveau de glucose circulant est élevé, l'insuline est libérée par les ilots de Langerhans et elle augmente la mobilisation du glucose via une augmentation :

  • de la synthèse du transporteur insulino-indépendant du glucose GLUT4 ("glucose transporter 4")
  • de la translocation de ce transporteur des compartiments endosomiques vers la membrane plasmique

L'absorption du glucose augmente : le glucose pénètre davantage dans le muscle et le tissu adipeux par l'intermédiaire de ce type de transporteur.

Entree du glucose via le transporteur Glut4 sous controle de l'insuline

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.

Maturation de l'insuline

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 :

  • clic sur "Jmol" (Mac)
  • clic droit sur "Jmol" (PC)
  • effet de l'insuline sur la glycolyse : elle active la glucokinase, la PFK-1 et la pyruvate kinase.
  • effet de l'insuline sur la glycogénogenèse : elle active la glycogène synthétase et inhibe l'activité phosphorylase.
  • effet de l'insuline sur la néoglucogénèse : elle stimule la synthèse protéique diminuant ainsi la quantité d'acides aminés disponibles pour la néoglucogénèse.

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.

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Schéma général de l'homéostasie du glucose et du métabolisme énergétique

N'est pas représentée le rôle de la protéine kinase activée par l'AMP ("5'-AMP-activated protein kinase") ou AMPK.

Homeostasie glucose metabolisme energetique energetics


Abréviations de la figure

RCPG : récepteur couplé à une protéine G

OAA : oxaloacétate

AC : adénylate cyclase

PKA : protéine kinase AMPc dépendante

Glycolyse

  • HK : hexokinase
  • G6P et F6P : glucose 6-phosphate et fructose 6-phosphate
  • PFK1 : phosphofructokinase 1
  • F1,6-BP : fructose-1,6-bisphosphate
  • PK : pyruvate kinase
  • PEP : phosphoénol pyruvate

PFK2 : phosphofructokinase 2

F2,6BPase : fructose-2,6-bisphosphatase

F2,6-BP : fructose-2,6-bisphosphate

Néoglucogénèse

  • Pyr Case = pyruvate carboxylase : pyruvate + HCO3- + ATP ---> oxaloacétate + ADP + Pi
  • PEPCK = PEP carboxykinase : oxaloacétate + GTP ---> phosphoénolpyruvate + GDP + CO2
  • F1,6Bis-Pase = fructose-1,6-bisphosphatase : fructose-1,6-bisphosphate + H2O ---> fructose-6-phosphate + Pi
  • G6P Pase = glucose-6-phosphatase : glucose-6-phosphate + H2O ---> glucose + Pi

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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