Chapitre 8

 

 

 

VERSION IMPRIMABLE

 

 

LA NEOGLUCOGENESE

BIOSYNTHESE DU GLUCOSE A PARTIR DU PYRUV ATE

 

 

 

 

 

 

OBJECTIFS

De l’enseignant 

 

  1. Décrire les étapes enzymatiques de la néoglucogenèse pouvant être considérée comme un exemple de voie anabolique de formation de glucose à partir de précurseurs glucogéniques.
  2. Insister sur le fait que la néoglucogenèse n’est pas l’inverse de la glycolyse.
  3. Introduire les principes de la régulation allostérique et hormonale
  4. Monter comment sont régulées de façon coordonnée ou réciproque la néoglucogenèse et la glycolyse au niveau de l’utilisation des métaboliques intermédiaires et du contrôle de l’activité de certaines enzymes.

 

De l’étudiant 

 

  1. Revoir les formules développées du pyruvate, du lactate, de l’oxaloacétate et du phosphoénolpyruvate.
  2. Revoir les étapes enzymatiques de la glycolyse, qui sont entièrement cytosoliques. Repérer les réactions réversibles qui sont communes à la glycolyse et à la néoglucogenèse.
  3. A l’aide du tableau comparatif repérer et apprendre les réactions de la néoglucogenèse qui remplacent les réactions irréversibles de la glycolyse
  4. Apprendre les étapes enzymatiques de la néoglucogenèse comment faire le bilan énergétique de la formation du glucose à partir du pyruvate ou du lactate.
  5. Apprendre comment les deux voies : néoglucogenèse et la glycolyse sont contrôlées par régulation coordonnée pour éviter les conflits au niveau de l’utilisation des métabolites intermédiaires communs.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PLAN

 

OBJECTIFS

1 - INTRODUCTION

2 - ETAPES ENZYMATIQUES

2.1 - TRANSFORMATION DU PYRUVATE EN PHOSPHOENOLPYRUVATE

2.1.1 - Phase mitochondriale

2.1.2 - Phase cytosolique

2.2 - TRANSFORMATION DU PHOSPHOENOLPYRUVATE EN FRUCTOSE 1-6 BISè

2.3 - TRANSFORMATION DU FRUCTOSE 1-6 BISPHOSPHATE EN GLUCOSE

2.3.1 - Déphosphorylation du fructose-1,6-bisè en fructose 6-è

2.3.2 - Isomérisation du fructose 6-è en glucose 6-è

2.3.3 - Déphosphorylation du glucose 6-è en glucose

2.4 - BILAN

3 - REGULA TION RECIPROQUE DE LA GLUCONEOGENESE  ET DE LA GLYCOLYSE

3.1 - Régulation allostérique

3.1.1 - Phosphofructokinase 1 /Fructose 1,6 bisphosphatase 1 (PFK1/FBP1)

3.1.2 - Pyruvate déshydrogénase/Pyruvate carboxylase (PDH/PC).

3.2 - Régulation hormonale

 

 

 

 

 

 

 

 


1 - INTRODUCTION

Certains tissus comme le cerveau, les globules rouges, la région médullaire du rein, le cristallin, la cornée de l'œil, et le muscle en contraction rapide ont besoin d'un approvisionnement continu en glucose. Seul le foie est capable d'assurer cette fonction par mobilisation du glycogène et par néoglucogenèse. Les réserves du foie sous forme de glycogène sont évaluées à 190 g. Les besoins journaliers en glucose sont estimés à 120 g pour le cerveau, 40 g pour le reste de l'organisme. Dans les fluides, circulent 20 g de glucose à l'état dissous. On en déduit que les réserves en glucose hépatique ne couvrent que les besoins d'un jour en l'absence d'alimentation glucidique.

 

Le glucose peut être synthétisé par la '.oie de la néoglucogenèse ou gluconéogénèse à partir de précurseurs comme le pyruvate, le lactate, le glycérol issu de l'hydrolyse des triglycérides et des céto-acides provenant de la désamination des acides aminés glucoformateurs. La majeure partie du glucose néoformé (90 %) est synthétisée dans le foie et les 10 % restants dans les reins. Les reins jouent ainsi un rôle mineur sauf dans le cas de jeûne prolongé où leur contribution devient très importante. La néoglucogenèse est activée dans le cas du jeûne et dans le diabète. En cas d'exercice physique pendant lequel le glucose musculaire est dégradé en lactate, 1 a néoglucogenèse hépatique est stimulée; pour retransformer en glucose, le lactate, issu de la glycolyse musculaire. Voir cycle des Cori.

 

Bien que la néoglucogenèse soit habituellement définie comme la transformation du ~ pyruvate en glucose et que la glycolyse soit la dégradation du glucose en pyruvate, la

néoglucogenèse n'est pas l'inverse de la glycolyse. En effet, trois réactions de la glycolyse sont irréversibles et se situent au niveau des sites de contrôle :

 

1

glucose + A TP ¾® glucose 6è+ ADP

Hexokinase

2

Fructose 6-è + ATP   ¾®  Fructose-1,6-bisè + ADP

Phosphofructokinase

3

PEP + ADP ¾®  Pyruvate + A TP

Pyruvate kinase

 

Pour contourner ces 3 difficultés, la cellule fait appel à d'autres réactions thermodynamiquement plus favorables avec la coopération des mitochondries.

 

OBJECTIFS

1 - INTRODUCTION

2 - ETAPES ENZYMATIQUES

3 - REGULATION NEOGLUCOGENESE - GLYCOLYSE

 

2 - ETAPES ENZYMATIQUES

La plupart des étapes qui conduisent du pyruvate au glucose sont catalysées par les enzymes de la glycolyse qui interviennent en sens inverse (réactions réversibles). Les trois réactions irréversibles sont remplacées par d'autres réactions à équilibre thermodynamique plus favorable et catalysées par des enzymes spécifiques de la néoglucogenèse. Le démarrage de la néoglucogenèse exige la conversion du pyruvate en phosphoénolpyruvate.

Deux pyruvates sont nécessaires pour faire un glucose.

2.1 - TRANSFORMATION DU PYRUVATE EN PHOSPHOENOLPYRUVATE

C'est la première étape. Elle ne peut être réalisée par l'action de la pyruvate kinase selon la réaction suivante qui est endergonique.

 

2 Pyruvate + 2 ATP  ¾® 2 Phosphoénolpyruvate + 2 ADP                         DG'o= + 7.5 kcal/mol

 

Pour obtenir œtte phosphorylation du pyruvate il y a coopération entre la mitochondrie et le cytosol.

2.1.1 - Phase mitochondriale

Le pyruvate, exporté dans la mitochondrie, est d'abord carboxylé par la pyruvate carboxylase, située dans la matrice. L'enzyme est une ligase à biotine. L'ATP est nécessaire. La pyruvate carboxylase se rencontre dans les mitochondries du foie et des reins mais pas dans celles des muscles. La séquence des réactions est résumée sur la figure 21.

 

2 Pyruvate + 2 CO2+ 2 A TP ¾® 2 oxaloacétate + 2 ADP + 2 Pi

 

L'oxaloacétate formé est réduit en malate par la ma/aie déshydrogenase mitochondriale. Le malate est ensuite transporté de la mitochondrie dans le cyto$ol.

 

2 Oxaloacétate + 2 NADH,H+ ¬¾® 2 malate + 2 NAD+

 

 

 

 

 

Figure 1 – Séquence des réactions de formation du phosphoénolpyruvate à partir du pyruvate impliquant la coopération de la mitochondrie.

 

 

2.1.2 - Phase cytosolique

Le malate est réoxydé en oxaloacétate par la malate déshydrogénase cytosolique.

 

2 Malate + 2 NAD+ ¬¾® 2 Oxaloacétate + 2 NADH, H+                 (Malate DH)

 

Enfin l'oxaloacétate est transformé en phosphoénolpyruvate (PEP), suivant une réaction réversible) en présence du GTP par la phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK), enzyme spécifique de la néoglucogenèse.

 

2 Oxaloacétate + 2 GTP  ¬¾® 2 Phosphoénolpyruvate + 2 GDP + 2 CO2

 

En résumé la réaction globale de la transformation du pyruvate en phosphoénolpyruvate est:

 

2 Pyruvate + 2 A TP + 2 GTP ¾® 2 PEP + 2 ADP + 2 GDP + 2 Pi

 

Chez certains micro-organismes et végétaux, la phosphorylation du pyruvate en PEP est réalisée par une réaction complètement différente, catalysée, en une seule étape, par une pyruvate orthophosphate dikinase :

 

2 Pyruvate + 2 ATP + 2 Pi  ¾® 2 PEP + 2 AMP + 2 PPi

 


 

 

 

Figure 2 - Schéma des réactions enzymatiques de la néoglucogenèse conduisant du pyruvate à la formation du glucose

 

2.2 - TRANSFORMATION DU PHOSPHOENOLPYRUVATE EN FRUCTOSE 1-6 BISè

La séquence des réactions qui vont conduire du PEP au glucose est cytosolique. Nous nous contenterons de les écrire en rappelant les noms des enzymes. Voir figure 2.

 

1

2 PEP + 2 H2O ¬¾® 2 glycérate 2-è

(Enolase)

2

2 glycérate 2-è ¬¾®  2 glycérate 3-è                 

 

Phosphoglycérate mutase

3

2 Glycérate 3-è+ 2 ATP ¬¾®  2 (3-èglycéroyI-1-è + 2 ADP       

 

Glycérate 3-è kinase

 

     

     

 

4

2 (3èglycéroy1-1-è)+ 2 NADH,H+ ¬¾®  2 glycéraldéhyde 3-è+ 2 Pi                                                                           + 2 NAD+

glycéraldéhyde3-è DH

5

1 glycéraldéhyde 3-è ¬¾® 1 dihydroxyacétone 3-è       

 

Phosphotriose isomérase

6

3-èglycéraldéhyde + 3-èdihydroxyacétone ¾®  Fructose-1,6-bisè

 

Aldolase 1

 

Le bilan global de la séquenœ est le suivant:

 

2 PEP + 2 H2O + 2 ATP + 2 NADH,H+  ¾®  Fructose-1,6-bisè + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+

 

2.3 - TRANSFORMATION DU FRUCTOSE 1-6 BISPHOSPHATE EN GLUCOSE

 Une séquence de 3 réactions, dont une réversible, conduit au glucose

2.3.1 - Déphosphorylation du fructose-1,6-bisè en fructose 6-è

On connaît la réaction qui transforme le fructose 6-phosphate en fructose 1-6 bisè. Cette réaction qui est catalysée par la phosphofructokinase 1 (PFK 1) est irréversible. La réaction inverse qui enlève le groupement phosphate est catalysée par la fructose-1,6 bisphosphatase (FBP1) , enzyme clé et site de régulation principal de la voie de la néoglucogeèse.

 

Fructose-1,6-bisè) + H2O  ¾®  fructose 6-è +  Pi

 

2.3.2 - Isomérisation du fructose 6-è en glucose 6-è

La réaction est réversible et catalysée par la phosphogluco-isomérase (PGI)

 

 Fructose 6-è  ¬¾® glucose 6-è

 

2.3.3 - Déphosphorylation du glucose 6-è en glucose

Le départ du groupement phosphate du glucose 6-è est effectué par une hydrolase, :

.glucose 6-phosphatase, dont l'importance est fondamentale dans le mantien de la

glycémie. On la trouve dans le foie et dans les reins mais pas dans les muscles striés.

 

glucose 6-è + H2O  ¾® glucose + Pi

 

2.4 - BILAN

Le bilan de la formation du glucose à partir de 2 pyruvate est le suivant :

 

2 pyruvate + 4 A TP+ 2 GTP + 2 NADH,H+

¾®

Glucose + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD+

.

Sur le plan énergétlque la synthèse du glucose consonne 4 A TP + 2 GTP soit l'équivalent de 6 liaisons phosphates riches en énergie.

 

OBJECTIFS

1 - INTRODUCTION

2 - ETAPES ENZYMATIQUES

3 - REGULATION NEOGLUCOGENESE - GLYCOLYSE

 

3 - REGULA TION RECIPROQUE DE LA GLUCONEOGENESE  ET DE LA GLYCOLYSE

La Néoglucogenèse et la glycolyse se déroulent dans le cytosol. La plupart des métabolites intermédiaires leur sont communs. Des conflits peuvent apparaître au niveau de leur utilisation. En effet les deux processus ne répondent pas aux mêmes objectifs : la glycolyse est engagée dans la production de l'énergie et la néoglucogenèse dans sa conservation. La régulation réciproque des 2 processus s'impose de manière à les ajuster en fonction de l'état énergétique et des besoins cellulaires ou des tissus.

 

           

 

Dans ces conditions, les deux voies sont régulées de telle sorte que l'une est inhibée lorsque l'autre est active et vice versa. Comme nous l'avons vu, le principal signal qui règle cette régulation est le rapport A TP/AMP.

3.1 - Régulation allostérique

Compte tenu du fait que la néoglucogenèse et la glycolyse utilisent des séquences de réactions fonctionnant en sens inverse, elles font l'objet d'une régulation allostérique efficace qui fait intervenir deux couples d'enzymes: Phosphofructokinase 1/Fructose 1,6-bisphosphatase 1 (PFK1/FBP1) et Pyruvate déshydrogénase/Pyruvate carboxylase (PDH/PC). Voir figure 3.

 

Lorsque le rapport A TP/AMP est très faible, il indique que tout l'A TP est pratiquement utilisé. La cellule a besoin de fabriquer de l'ATP. La glycolyse et la phosphorylation oxydative doivent alors fonctionner activement pour satisfaire les besoins en ATP. En revanche si ce rapport est élevé les besoins en A TP et en précurseurs biosynthétiques sont satisfaits. La glycolyse ralentit et l'excès du pyruvate est retransformé en glucose.

3.1.1 - Phosphofructokinase 1 /Fructose 1,6 bisphosphatase 1 (PFK1/FBP1)

 Le niveau élevé d'AMP active la phosphofructokinase 1 (PFK1) de la glycolyse et inhibe la fructose -1,6-bisphosphatase (FBP1) de la néoglucogenèse. Inversement lorsque les concentrations en A TP et en citrate sont très élevées, la glycolyse ralentit. Ce ralentissement est assuré par l'inhibition de la phosphofructokinase 1 (PFK1) par l'excès d'ATP et de citrate. Parallèlement la fructose-1,6-bisphosphatase 1 (FBP1) est activée et la néoglucogenèse est stimulée. Ces enzymes sont considérées comme les sites principaux de contrôle de ces deux voies. Un effecteur positif de PFK1 devient simultanément un effecteur négatif de FBP1 et vice versa. Ainsi se trouve réalisée une régulation  coordonnée des deux voies par le même métabolite.

 

 

 

 

Figure 3 -.Régulation allostérique réciproque de la glycolyse et de la néoglucogenèse

 

3.1.2 - Pyruvate déshydrogénase/Pyruvate carboxylase (PDH/PC).

. La pyruvate déshydrogénase et la pyruvate carboxylase constituent le deuxième couple d'enzymes réciproquement régulées, affectant la glycolyse et la néoglucogenèse. Ces deux enzymes sont mitochondriales. En cas de besoin en ATP, le fructose-1,6-bisphosphate stimule la pyruvate kinase pour produire du pyruvate indispensable à la formation de l' acétyl-CoA. Une activité de la

pyruvate DH favorise la glycolyse.

 

En cas d'excès d'ATP, signal de ralentissement en aval du cycle de Krebs et de la phosphorylation oxydative, le citrate et l'acétyl-CoA s'accumulent. L'acétyl-CoA, en excès, devient un effecteur négatif de la pyruvate DH mais un activateur de la pyruvate carboxylase qui, en temps normal, est peu active. Le pyruvate est alors transformé en oxaloacétate, œ qui engage ses carbones dans la néoglucogenèse plutôt que dans ~ processus de production de l'A TP.

 

 

 

Bien que l'activité de la pyruvate carboxylase soit faible en temps ordinaire, elle est cependant fondamentale dans la régulation de la production de l'énergie. En effet, l'oxaloacétate, produit de la carboxylation du pyruvate, est un intermédiaire catalytique du cycle de Krebs. Dans ce cas, la réaction catalysée par la pyruvate carboxylase est considérée comme une réaction nourricière (anaplérotique) du cycle tricarboxylique. Elle assure le maintien du taux nécessaire en oxaloacétate mitochondrial, si des prélèvements sont opérés pour la synthèse de l'aspartate (par exemple).

3.2 - Régulation hormonale

Dans cette régulation il faut considérer le cas du foie dont le rôle fondamental est de maintenir le taux du glucose sanguin. La régulation réciproque de la glycolyse et de la néoglucogenèse est assurée par le taux de fructose-2,6-bisè (F-2,6-bisè). Il résulte, dans le foie, de la phosphorylation du fructose 6-phophate par la phosphofructokinase 2 (pFK2). Ce métabolite est un effecteur allostérique positif de la phosphofructokinase-1 et négatif de la fructose-1,6-bisphosphatase 1 (FBP-1). En concentration suffisante il active par ce biais la glycolyse pendant qu'il inhibe la néoglucogenèse (figure 4).

 

Le fructose-2,6-bisphosphate est synthétisé par la phosphofructokinase 2 (PFK2) et déphosphorylé en fructose 6-phosphate par la fructose 2,6-bisphosphatase 2 (FBP2). Ces deux activités appartiennent à un complexe enzymatique bis-fonctionnel. L'équilibre entre les deux activités du complexe (et par conséquent le taux cellulaire de F-2,6-bisè) est assuré par le glucagon. La transduction se fait par l'intermédiaire de l'AMPc comme second messager et par l'intermédiaire de la protéine kinase A.

 

 

 

 

 

Figure 4 – Régulation allostérique coordonnée de la néoglucogenèse et de la glycolyse via la régulation hormonale de la synthèse hépatique  du fructose 2,6-bisphosphate

 

 

La PFK2 est désactivée par phosphorylation, en présence de l'ATP, par la protéine kinase A, ce qui arrête la production du fructose-2,6-bisè. En même temps la même protéine kinase A stimule par phosphorylation l'activité de la FBP2 permettant la déphosphorylation du fructose-2,6-bisè en fructose 6-è. La baisse de la concentration cellulaire en fructose-2,6-bisè active la néoglucogenèse.

 

Inversement l'insuline, par ses réactions en cascade, conduit à l'activation, par phosphorylation, d'une protéine phosphatase insulino-dépendante. Cette dernière permet la déphosphorylation à la fois de PFK2 et de FBP2. La synthèse de fructose-2,6-bisè peut reprendre avec comme conséquence la stimulation de la glycolyse et l'arrêt de la néoglucogenèse.

 

Par le jeu d'interconversion d'une forme dans l'autre pour chacune des enzymes du complexe, la régulation réciproque de la glycolyse et de la néoglucogenèse est efficacement assurée dans les cellules hépatiques sous l'action du glucagon et de l'adrénaline d'une part et de l'insuline d'autre part, voir figure ci-dessous.

 

Dans les mêmes conditions la protéine kinase A peut aussi phosphoryler la Pyruvate kinase hépatique qui devient inactive. Le phosphoénolpyruvate n'est plus converti en pyruvate mais remonte la voie de la néoglucogenèse.

 

 

Tableau 5 - GLYCOLYSE ET NEOGLUCOGENESE : Ce qu’il faut retenir

 

Caractéristiques

Glycolyse

Néoglucogenèse

Définition

Voie de dégradation du glucose en pyruvate

 

Voie de synthèse du glucose à partir du pyruvate

Localisation

Cytoplasme

 

Cytoplasme

Réactions enzymatiques

10 :

- 3 irréversibles

- 7 réversibles-

 

11

-3 irréversibles

- 8 réversibles

Réactions

réversibles

communes

- Phosphoglucoisomérase : Glucose-6-P ¬¾® fructose-6-p

- Fruct.-1,6-bisP aldolase : Fructose-1,6-bisP ¬¾® Glycér.-3-P + PDHA

- Phosphotriose isomerase : Glycéral.-3-P ¬¾®PDHA

- Glycér.-3-P DH : Glycéra.l-3-P + NAD+ + Pi ¬¾® PGP + NADH,H+

- Phosphoglycérate kinase : PGP - ADP ¬¾® Glycérate-3-P + ATP

- Phosphoglycérate mutase : Glycérate-3-P ¬¾® Glycérate-2-P

- PEP énolase : Glycérate-2-P ¬¾® PEP + H2O

 

Réactions spécifiques

- Hexokinase :

Gluc+ ATP ¾®G-6-P + ATP

- Phosphofuctokinase

F-6-P + ATP ¾® F-1,6-bisP + ADP

- Pyruvate kinase

PEP + ADP ¾® Pyruvate + ATP

 

- G-6-Phatase :

G-6-P + H2O ¾® Glucose + Pi

- Fructose-1,6-bisphosphatase

F-1,6-bisP + H2O ¾® F-6-P + Pi

- PEPcarboxykinase

Oxaloac. + GTP ¬¾® PEP + GDP

- Pyruvate carboxylase :

Pyr. + CO2 + ATP ¾® Oxal. + ADP + Pi

Energétique

Production de  :

2 ATP et de 2 NADH,H+

Consommation de

4 ATP, 2 GTP et 2 NAD(P)H,H+

 

Bilan

Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+¾® 2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH,H+

2 pyr. + 2 NAD(P)H,H+ + 2 GTP +
4 ATP 
¾®  Gluc. + 2 NAD(P)+ +
2 GDP + 4 ADP + 6 Pi .

 

 

OBJECTIFS

1 - INTRODUCTION

2 - ETAPES ENZYMATIQUES

3 - REGULATION NEOGLUCOGENESE - GLYCOLYSE

_

 

 

_________________________