1. Présentation générale

2. Etapes oxydatives

3. Rappel sur le NAD(P)

4. Etapes non oxydatives

5. Régulation de la voie des pentoses phosphates

6. Liens Internet et références bibliographiques

1. Présentation générale

La voie des pentoses phosphates (ou voie de Otto Warburg, Frank Dickens et Bernard Horecker) est une voie du métabolisme énergétique dont les principaux rôles sont :

• la production d'un pouvoir réducteur sous la forme de NADPH qui est ensuite utilisé notamment pour la biosynthèse des acides gras, pour la biosynthèse du cholestérol et pour la réduction du glutathion (lutte contre le stress oxydatif par les espèces activées de l'oxygène)
• la production de pentoses, en particulier le ribose-5-phosphate utilisé pour la biosynthèse des coenzymes pyridiniques (NAD⁺ et NADP⁺), des coenzymes flaviniques (FMN et FAD), du coenzyme A et pour la biosynthèse des nucléotides
• la production d'érythrose-4-phosphate, précurseur d'acides aminés aromatiques

Cette voie :

• est une alternative à la glycolyse avec une finalité plus anabolique (biosynthèse) que catabolique (dégradation)
• existe chez tous les Eucaryotes et presque toutes les bactéries
• est indépendante de l'oxygène (elle a lieu en aérobiose et en anaérobiose)
• se déroule dans le cytoplasme chez la plupart des organismes et dans les plastes chez les plantes
• est aussi appelée dans la littérature : "Phosphogluconate Pathway" ou "Hexose Monophosphate Shunt"

On peut décomposer la voie des pentoses phosphates en 3 parties :

• une partie oxydative (en vert - figure ci-dessous) : série de réactions qui oxydent le glucose-6P, réduisent le NADP⁺ en NADPH et aboutissent à la formation du ribulose-5-phosphate
• une partie non oxydative (en violet) : réactions réversibles d'isomérisation et d'épimérisation
• une partie non oxydative (en jaune) : réactions de transcétolisation et de transaldolisation (transfert de groupements contenant plusieurs carbones)

• 1 : Glucose 6-phosphate déshydrogénase (E.C. 1.1.1.49)
• 2 : 6-Phosphogluconolactonase (E.C. 3.1.1.31)
• 3 : 6-phosphogluconate déshydrogénase (E.C. 1.1.1.44)
• 4 : Ribose-5-phosphate isomérase (E.C. 5.3.1.6)
• 5 : Ribulose-5-phosphate 3-épimérase (E.C. 5.1.3.1)
• 6 : Transcétolase (E.C. 2.2.1.1)
• 7 : Transaldolase (E.C. 2.2.1.2)
• 8 : Transcétolase (E.C. 2.2.1.1)

2. Etapes oxydatives

La glucose-6-phosphate déshydrogénase catalyse l'oxydation de la fonction aldéhyde (hémiacétal) portée par le carbone C1 du glucose-6-phosphate pour former un acide carboxylique dans une liaison ester, une lactone. Le NADP⁺ sert d'accepteur d'électrons. Cette réaction est irréversible et contrôle le flux de la voie des pentoses phosphates. Le NADPH est un inhibiteur compétitif de la glucose-6-phosphate déshydrogénase.

La 6-phosphogluconolactonase catalyse l'hydrolyse de la lactone et ouvre le cycle pour former le 6-phosphogluconate. Bien que l'ouverture du cycle se produise en l'absence d'enzyme, la 6-phosphogluconolactonase accélère la réaction en diminuant la durée de vie de la 6-phosphogluconolactone très réactive et donc potentiellement toxique.

La phosphogluconate déshydrogénase catalyse la décarboxylation oxydative du 6-phosphogluconate pour former le ribulose-5-phosphate (cétose à 5 carbones). L'hydroxyle en position C3 de la 6-phosphogluconate est oxydé en cétone, ce qui favorise la perte du carboxyle en C1 sous la forme de CO₂. Le NADP⁺ sert d'accepteur d'électrons.

Le ribulose 5-phosphate est aussi un intermédiaire clé du cycle de Calvin au cours de la photosynthèse.

La glucose-6-phosphate déshydrogénase est régulée par la disponibilité du coenzyme NADP⁺. Puisque le NADPH formée est utilisé dans les voies métaboliques (réductrices) de biosynthèse, la concentration croissante du NADP⁺ stimule la voie des pentoses phosphates pour reconstituer le stock de NADPH.

3. Rappel sur le NAD(P)

La nicotinamide adénine dinucléotide (phosphate) contient la nicotinamide qui est l'amide de l'acide nicotinique.

A cours de la réduction du coenzyme, le groupe nicotinamide capte un proton et un ion hydrure H⁺ d'un substrat qui est déshydrogéné : NAD(P)⁺ + 2H⁺ +2 e^- <=> NAD(P)H + H⁺

Dans la structure de la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (réduite ou non / NADP⁺ ou NADPH⁺), un groupe phosphoryle supplémentaire substitue l'hydrogène de l'hydroxyle situé en position 2' du ribose lié à l'adénine.

4. Etapes non oxydatives (réversibles)

Epimérase et isomérase

• l'épimérase interconvertit le ribulose-5-phosphate et le xylulose-5-phosphate
• l'isomérase transforme le ribulose-5-phosphate (cétose) en ribose-5-phosphate (aldose)
• ces 2 réactions sont réversibles et implique une déprotonation pour former un intermédiaire énediol

Transcétolase

La transcétolase transfère un groupe à 2 carbones sur le ribose-5-phosphate ou sur l'érythrose 4-phosphate.

Elle utilise un groupement prosthétique : la thiamine pyrophosphate (un dérivé de la vitamine B1). Le H⁺ du C entre N et S du noyau thiazolium se dissocie facilement.

Le groupe aminé de l'aminopyrimidine est à proximité de ce proton dissociable et sert d'accepteur de proton. Ce transfert de proton est promu par un résidu glutamate adjacent au noyau pyrimidine.

Le carbanion thiazolium qui résulte de la dissociation du proton réagit avec le carbonyle du xylulose-5-phosphate.

L'atome d'azote chargé positivement du noyau thiazolium agit comme accepteur d'électron ce qui entraîne le clivage de la liaison C-C :

• le glycéraldéhyde-3-phosphate est libéré
• un fragment à 2 carbones reste attaché à la thiamine pyrophosphate

La fin de la réaction s'effectue par inversion de ces étapes :

• le fragment à 2 carbones se condense à l'érythrose 4-phosphate (aldose à 4 carbones) pour former le fructose 6-phosphate (cétose à 6 carbones)
• le fragment à 2 carbones se condense au ribose 5-phosphate (aldose à 5 carbones) pour former le sédoheptulose 7-phosphate (cétose à 7 carbones)

Transaldolase

La réaction catalysée est : sédoheptulose 7-phosphate + glycéraldehyde 3-phosphate <=> érythrose 4-phosphate + fructose 6-phosphate

Le groupement ε-aminé de la chaîne latérale de la Lys142 du site actif forme une base de Schiff avec le groupe carbonyle du sédoheptulose 7-phosphate après déprotonation par Glu 106 (un autre résidu site actif). La base de Schiff stabilise le carbanion formé par le carbone 3. L'érythrose 4-phosphate est relargué.

La fin de la réaction s'effectue par réversion : le carbanion attaque le groupement aldéhyde du glycéraldéhyde 3-phosphate pour former le fructose 6-phosphate.

Bilan de la partie non oxydative

C₅ + C₅ => C₃ + C₇ (transcétolase)
C₃ + C₇ =>C₆ + C₄  (transaldolase)
C₄ + C₅ => C₆ + C₃ (transcétolase)
_______________________________________
3 C₅ => 2C₆ + C₃   (global)

5. Régulation de la voie des pentoses phosphates

En fonction des besoins de la cellule en ribose 5-phosphate, en NADPH et en ATP, la voie des pentoses phosphates peut fonctionner selon différents modes afin d'optimiser la concentration de ces métabolites :

1. Une quantité plus importante de ribose 5-phosphate que de NADPH est nécessaire. Exemple: les cellules en division rapide ont de forts besoins en ribose 5-phosphate pour la synthèse d'ADN. La transcétolase et la transaldolase forment le ribose 5-phosphate à partir du fructose 6-phosphate et du glycéraldehyde 3-phosphate : ces réactions fonctionnent alors dans le sens opposé.

2. Une quantité plus importante de NADPH que de ribose 5-phosphate est nécessaire : toute la voie des pentoses phosphates est utilisée. Exemple: les cellules des tissu adipeux ont besoin de beaucoup de NADPH pour la synthèse des acides gras. Il y a alors deux cas de figure :

• le glycéraldéhyde 3-phosphate et le fructose 6-phosphate formés sont convertis en glucose 6-phosphate par la néoglucogenèse. Le glucose 6-phosphate alimente la voie des pentoses phosphates (1ère réaction de la partie oxydative) ce qui maximise la formation de NADPH.
• le glycéraldéhyde 3-phosphate et le fructose 6-phosphate formés sont convertis en pyruvate par la glycolyse pour la synthèse d'ATP. La voie produit aussi du NADPH.

3. Les besoins en ribose 5-phosphate et NADPH sont équilibrés : la partie oxydative de la voie des pentoses phosphates est utilisée.

Le ribose 1-phosphate généré lors du catabolisme des nucléosides entre également de cette manière dans la glycolyse, après avoir été converti en ribose 5-phosphate. La voie des pentoses phosphates sert donc de point d'entrée dans la glycolyse pour certains oses à 5 ou 6 carbones.

Une régénération efficace du NADPH est l'un des facteurs limitant dans la production par des processus de bio-transformation. Des souches d'Escherichia coli ont ainsi été manipulées par ingéniérie :

• remplacement de la glycéradéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GAPDH - glycolyse) endogène par la GAPDH NADP-dépendante de Clostridium acetobutylicum
• introduction de la NADH kinase de Saccharomyces cerevisiae qui catalyse directement la phosphorylation du NADH en NADPH

Ces modifications ont des effets remarquables sur les bioprocédés NADPH dépendants.