Le glucose est le carburant central des cellules : il est dégradé par la glycolyse, oxydé par la voie des pentoses phosphate, stocké sous forme de glycogène ou resynthétisé par la néoglucogenèse. Ce chapitre suit les dix réactions de la glycolyse, en établit le bilan et détaille les voies qui en partent ou y reviennent. Les enzymes, les étapes irréversibles et les bilans en ATP et NADH sont les points les plus notés aux examens de S4.
1. Vue d'ensemble du métabolisme glucidique
Le glucose sanguin provient de la digestion des glucides alimentaires (amidon, saccharose, lactose), de la glycogénolyse hépatique et de la néoglucogenèse. Une fois entré dans la cellule par les transporteurs GLUT, il est aussitôt phosphorylé en glucose 6-phosphate (G6P), forme qui ne peut plus ressortir. Le G6P est un carrefour : il peut être dégradé par la glycolyse (voie d'Embden-Meyerhof-Parnas) jusqu'au pyruvate, oxydé par la voie des pentoses phosphate (voie de Dickens-Horecker) pour fournir du NADPH et du ribose, ou stocké par la glycogénogenèse. En aérobiose, le pyruvate est décarboxylé en acétyl-CoA puis oxydé dans le cycle de Krebs ; en anaérobiose, il est réduit par les fermentations.
2. Les dix réactions de la glycolyse
La glycolyse, cytosolique et présente dans presque toutes les cellules, transforme un glucose (C6) en deux pyruvates (C3). La phase d'investissement consomme 2 ATP : (1) l'hexokinase (glucokinase dans le foie) phosphoryle le glucose en G6P, réaction irréversible qui piège le sucre ; (2) la phosphoglucose isomérase convertit le G6P en fructose 6-phosphate ; (3) la phosphofructokinase-1 (PFK-1) forme le fructose 1,6-bisphosphate, réaction irréversible et étape limitante de toute la voie ; (4) l'aldolase clive l'hexose en deux trioses phosphate, dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P) ; (5) la triose phosphate isomérase convertit le DHAP en G3P, de sorte que la suite se déroule deux fois par glucose.
La phase de remboursement produit 4 ATP et 2 NADH : (6) la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase oxyde le G3P en 1,3-bisphosphoglycérate en réduisant le NAD+, seule oxydation de la voie, qui crée une liaison acyl-phosphate riche en énergie ; (7) la phosphoglycérate kinase transfère ce phosphate à l'ADP (première phosphorylation au niveau du substrat) et donne le 3-phosphoglycérate ; (8) la phosphoglycérate mutase le transforme en 2-phosphoglycérate ; (9) l'énolase le déshydrate en phosphoénolpyruvate (PEP), composé au potentiel de transfert le plus élevé ; (10) la pyruvate kinase cède le phosphate du PEP à l'ADP (seconde phosphorylation au niveau du substrat), réaction irréversible, et libère le pyruvate. Bilan net : glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O. Les trois réactions irréversibles (hexokinase, PFK-1, pyruvate kinase) sont les sites de régulation et doivent être contournées par la néoglucogenèse.
Formation d'ATP par transfert direct d'un groupement phosphate depuis un intermédiaire métabolique riche en énergie (1,3-bisphosphoglycérate, phosphoénolpyruvate, succinyl-CoA) vers l'ADP, indépendamment de la chaîne respiratoire.
3. Devenir du pyruvate : fermentations et régénération du NAD⁺
La glycolyse ne peut se poursuivre que si le NADH produit en (6) est réoxydé en NAD+, présent en quantité limitée. En aérobiose, les électrons du NADH gagnent la mitochondrie par les navettes. En anaérobiose, la cellule régénère elle-même son NAD+ en réduisant le pyruvate. La fermentation lactique (muscle en effort intense, globules rouges dépourvus de mitochondries, bactéries lactiques) réduit le pyruvate en L-lactate par la lactate déshydrogénase ; le lactate est ensuite recyclé en glucose par le foie (cycle de Cori). La fermentation alcoolique des levures décarboxyle d'abord le pyruvate en acétaldéhyde (pyruvate décarboxylase, à TPP) puis le réduit en éthanol par l'alcool déshydrogénase, avec dégagement de CO2. Dans les deux cas, le bilan énergétique reste celui de la glycolyse, 2 ATP par glucose, contre une trentaine en oxydation complète : d'où l'effet Pasteur, la consommation de glucose chutant en présence d'oxygène.
4. La voie des pentoses phosphate
Cytosolique elle aussi, la voie des pentoses phosphate a deux fonctions : fournir le NADPH nécessaire aux biosynthèses réductrices (acides gras, cholestérol) et à la protection contre les oxydants (régénération du glutathion réduit), et produire le ribose 5-phosphate des nucléotides. Sa phase oxydative, irréversible, comprend la glucose 6-phosphate déshydrogénase (G6PDH, enzyme régulatrice inhibée par le NADPH), une lactonase, puis la 6-phosphogluconate déshydrogénase décarboxylante : au total, G6P + 2 NADP+ → ribulose 5-P + CO2 + 2 NADPH. La phase non oxydative, réversible, réarrange les pentoses par les transcétolase (à TPP) et transaldolase en fructose 6-P et glycéraldéhyde 3-P qui rejoignent la glycolyse. Elle est très active dans le foie, le tissu adipeux, les glandes surrénales et les hématies ; le déficit en G6PDH (favisme), fréquent au Maghreb, provoque des hémolyses lors de stress oxydants (fèves, certains médicaments), le globule rouge ne pouvant plus régénérer son glutathion.
5. Néoglucogenèse et métabolisme du glycogène
La néoglucogenèse synthétise du glucose à partir de précurseurs non glucidiques (lactate, alanine et autres acides aminés glucoformateurs, glycérol, propionate), essentiellement dans le foie et accessoirement le rein, pour alimenter le cerveau et les hématies pendant le jeûne. Elle emprunte les réactions réversibles de la glycolyse en sens inverse et contourne les trois étapes irréversibles par quatre enzymes propres : la pyruvate carboxylase mitochondriale (à biotine, activée par l'acétyl-CoA) convertit le pyruvate en oxaloacétate, la PEP carboxykinase (PEPCK, consomme un GTP) donne le PEP, la fructose 1,6-bisphosphatase hydrolyse le F1,6-BP et la glucose 6-phosphatase (réticulum endoplasmique du foie et du rein, absente du muscle) libère le glucose. La synthèse d'un glucose à partir de deux pyruvates coûte 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH. Glycolyse et néoglucogenèse sont régulées de façon réciproque : le fructose 2,6-bisphosphate active la PFK-1 et inhibe la F1,6-bisphosphatase ; l'insuline favorise la glycolyse, le glucagon la néoglucogenèse.
Le glycogène, polymère ramifié de glucose (liaisons α1→4, branchements α1→6), est stocké dans le foie (réserve pour la glycémie) et le muscle (réserve pour l'effort). La glycogénogenèse passe par l'UDP-glucose (UDP-glucose pyrophosphorylase) que la glycogène synthase ajoute aux extrémités non réductrices, l'enzyme branchante créant les ramifications. La glycogénolyse est une phosphorolyse : la glycogène phosphorylase (à PLP) libère du glucose 1-phosphate, converti en G6P par la phosphoglucomutase ; l'enzyme débranchante traite les points de branchement. Seul le foie, grâce à la glucose 6-phosphatase, exporte du glucose libre. La régulation hormonale par phosphorylation (glucagon, adrénaline : phosphorylase active, synthase inactive ; insuline : l'inverse) a été présentée au chapitre 4.
| Voie | Localisation | Enzymes clés | Bilan |
|---|---|---|---|
| Glycolyse | Cytosol | Hexokinase, PFK-1, pyruvate kinase | 2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH |
| Fermentation lactique | Cytosol | Lactate déshydrogénase | 2 lactate + 2 ATP, NAD⁺ régénéré |
| Fermentation alcoolique | Cytosol (levures) | Pyruvate décarboxylase, alcool DH | 2 éthanol + 2 CO₂ + 2 ATP |
| Voie des pentoses (phase oxydative) | Cytosol | G6PDH | Ribulose 5-P + CO₂ + 2 NADPH |
| Néoglucogenèse | Foie, rein | Pyruvate carboxylase, PEPCK, F1,6-BPase, G6Pase | Coût : 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH |
Bilan des principales voies du métabolisme glucidique (par glucose)
- Glycolyse : 10 réactions cytosoliques, phase d'investissement (2 ATP) puis de remboursement (4 ATP + 2 NADH) ; bilan net 2 ATP + 2 NADH + 2 pyruvate.
- Trois étapes irréversibles et régulatrices : hexokinase, PFK-1 (étape limitante, inhibée par ATP et citrate, activée par AMP et F2,6-BP) et pyruvate kinase.
- Anaérobiose : fermentation lactique (LDH) ou alcoolique (pyruvate décarboxylase + alcool DH) pour régénérer le NAD⁺ ; 2 ATP seulement.
- Voie des pentoses phosphate : G6PDH, 2 NADPH par G6P, ribose 5-P ; déficit en G6PDH = favisme.
- Néoglucogenèse (foie, rein) : 4 enzymes de contournement, coût 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH par glucose.
- Glycogène : synthase (via UDP-glucose) vs phosphorylase (glucose 1-P) ; seul le foie libère du glucose grâce à la G6Pase.
Savoir écrire la glycolyse dans l'ordre avec les enzymes, les cofacteurs et l'emplacement des ATP consommés et produits est le minimum exigé ; le bilan net (2 ATP, 2 NADH) et l'identification des trois étapes irréversibles sont notés à chaque session. Piège : le NADH de la glycolyse est cytosolique et doit passer par une navette. Autre question fréquente : pourquoi le muscle ne peut-il pas libérer de glucose dans le sang (absence de glucose 6-phosphatase) et comment la néoglucogenèse contourne les étapes irréversibles.