Glycolyse
La voie d’Embden-Meyerhof-Parnas
La glycolyse peut être définie de manière générale comme une voie de production d’énergie qui aboutit au clivage d’un hexose (glucose) en un triose (pyruvate). Bien que le terme soit souvent considéré comme synonyme de la voie d’Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), d’autres voies glycolytiques existent, parmi lesquelles la voie d’Entner-Doudoroff qui procède via un intermédiaire d’acide gluconique et un ensemble complexe de réarrangements qui procèdent via un intermédiaire pentose (Figure 1).
Figure 1. Les voies glycolytiques d’Escherichia coli. La voie la plus à gauche est la voie d’Emden-Meyerhof-Parnas ; celle la plus à droite est la voie d’Entner-Doudoroff. Les gènes qui codent pour les principales enzymes de ces voies sont indiqués en italique. Les flèches en gras indiquent la production ou la consommation de liaisons à haute énergie (sous forme d’ATP ou de PEP) ou de pouvoir réducteur (sous forme de NADH ou de NADPH). La ligne courbe en gras près du haut de la figure représente la membrane cytoplasmique ; les réactions au-dessus de cette ligne courbe se produisent dans le périplasme, celles en dessous se produisent dans le cytoplasme.
La voie EMP est présente dans les organismes de chaque branche des bactéries, des archées et des eucaryas. Il s’agit clairement d’une adaptation évolutive précoce, probablement présente chez l’ancêtre de toutes les formes de vie actuelles. Cela suggère que la voie EMP a évolué dans un monde anaérobie et fermentaire. Cependant, la voie fonctionne aussi efficacement comme base de la respiration aérobie du glucose. Les différences entre la fermentation et la respiration résident principalement dans les différents destins du pyruvate produit (voir plus loin). Pour des raisons de simplicité, cette discussion se concentre sur la voie EMP dans la bactérie bien connue Escherichia coli, bien que les caractéristiques de base de la voie soient presque universelles.
Avant que le métabolisme du glucose ne commence, il doit être transporté dans la cellule et phosphorylé. Chez E. coli, ces deux processus sont intimement couplés de telle sorte que le glucose est phosphorylé par le système des phosphotransférases (PTS) lors de son passage dans la cellule. Étant donné que le glucose-6-phosphate (G-6-P), comme la plupart sinon tous les phosphates de sucre, est toxique à des concentrations cellulaires élevées, ce processus de transport est étroitement régulé. La transcription du gène du transporteur spécifique du glucose, ptsG, n’est maximale que lorsque l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) (signalant une limitation de l’énergie) s’accumule. De plus, la traduction de l’ARN messager (ARNm) ptsG est inhibée par le petit ARN sgrS, qui est produit lorsque le G-6-P s’accumule. Ainsi, l’importation et la phosphorylation concomitante en G-6-P sont réduites chaque fois que la demande de plus d’énergie est faible ou que la concentration de G-6-P est dangereusement élevée.
En l’absence d’une protéine PtsG, d’autres transporteurs liés au PTS, notamment le transporteur spécifique du mannose, ManXYZ, peuvent également transporter et phosphoryler le glucose. Cependant, les mutants ptsG croissent plus lentement sur le glucose que les souches de type sauvage. Le glucose libre peut également s’accumuler dans les cellules à partir de la dégradation d’oligosaccharides contenant du glucose, comme le lactose ou le maltose. L’entrée du glucose intracellulaire dans la voie EMP se produit via une hexokinase codée par le gène glk.
Les deux étapes suivantes de la voie EMP préparent le G-6-P pour le clivage en deux triose phosphates. Tout d’abord, une phosphoglucose isomérase réversible (gène pgi) convertit le G-6-P en fructose-6-phosphate. Un mutant pgi peut encore se développer lentement sur le glucose en utilisant d’autres voies glycolytiques (voir plus loin), mais la voie EMP est bloquée chez un mutant pgi. Le fructose-6-phosphate résultant est encore phosphorylé en position C1 en fructose-1,6,-bisphosphate aux dépens de l’adénosine triphosphate (ATP) par une phosphofructokinase codée par pfkA. Une seconde isozyme mineure de la phosphofructokinase codée par pfkB permet une croissance lente des mutants pfkA. Un ensemble potentiellement concurrent de phosphatases qui éliminent le phosphate C1 du fructose-1,6,-bisphosphate fonctionne pendant la gluconéogenèse mais est contrôlé pendant la glycolyse par une variété de mécanismes de rétroaction pour empêcher un cycle futile.
La réaction suivante dans la voie est le clivage du fructose-1,6-bisphosphate en deux triose phosphates qui donne son nom à la voie (glycolyse = rupture du sucre). Cette réaction réversible est effectuée par la fructose bisphosphate aldolase (gène fbaA) et donne comme produits le phosphate de dihydroxyacétone (DHAP) et le phosphate de glycéraldéhyde (GAP). Une deuxième aldolase, non apparentée (gène fbaB), n’est produite que pendant la gluconéogenèse et ne joue donc aucun rôle dans la glycolyse. Les deux trioses phosphates sont librement interconvertibles via la triosephosphate isomérase (gène tpi). Le DHAP est un substrat clé pour la biosynthèse des lipides. La GAP est un nœud important de la glycolyse ; deux autres voies glycolytiques communes (voir ci-dessous) rejoignent la voie EMP au niveau de la GAP.
Jusqu’à ce stade, la voie EMP peut être considérée comme une voie de biosynthèse puisqu’elle produit trois éléments constitutifs biosynthétiques clés (G-6-P, fructose-6-phosphate et DHAP) aux dépens de l’ATP et sans aucune étape oxydative. L’étape suivante est la phosphorylation oxydative du GAP en acide 1,3-diphosphoglycérique, un composé hautement énergétique. L’incorporation du phosphate inorganique par la GAP déshydrogénase (gène gapA) est couplée à la réduction du NAD+ en NADH. Dans des conditions aérobies, ce NADH est réoxydé par la chaîne respiratoire pour donner de l’ATP. Dans des conditions anaérobies, ce NADH est réoxydé par couplage à la réduction des produits dérivés du pyruvate ou d’autres intermédiaires de la voie EMP. L’enzyme phosphoglycérate kinase (gène pgk) phosphoryle ensuite l’adénosine diphosphate (ADP) en ATP aux dépens du phosphate C1 du 1,3-diphosphoglycérate. Il s’agit de la première de deux phosphorylations au niveau du substrat où le phosphate est transféré d’un substrat hautement réactif directement à l’ADP sans l’implication de l’ATP synthase membranaire.
Les deux étapes suivantes réarrangent le 3-phosphoglycérate résultant en le dernier intermédiaire à haute énergie de la voie, le phosphoénolpyruvate (PEP). Tout d’abord, le phosphate est transféré de la position C3 à la position C2 par une phosphoglycérate mutase. Il existe deux isozymes sans rapport avec l’évolution, dont l’une (codée par le gène gpmA) nécessite un 2,3-bisphosphoglycérate comme cofacteur et l’autre (gène gpmM) non. Bien que E. coli, Bacillus subtilis et certaines autres bactéries possèdent les deux isozymes, de nombreux organismes n’ont que l’une ou l’autre. Par exemple, la levure Saccharomyces cerevisiae, la bactérie Mycobacterium tuberculosis et tous les vertébrés ne possèdent que l’enzyme dépendante du cofacteur, tandis que les plantes supérieures, les archées et la bactérie Pseudomonas syringae ne possèdent que l’enzyme indépendante du cofacteur. Une troisième isozyme (gène ytjC) semble exister chez E. coli, bien que son rôle soit moins clair.
Le 2-phosphoglycérate réarrangé est ensuite déshydraté par une énolase (gène eno) pour donner l’intermédiaire clé, le PEP. Bien que le pyruvate soit généralement considéré comme le produit final de la voie EMP, on peut affirmer que le PEP partage cet honneur. Le PEP est la source ultime de phosphate pour le transport/phosphorylation du glucose médié par PtsG qui initie la voie. De plus, l’enzyme énolase est une partie nécessaire du dégradasome qui fonctionne avec le petit ARN sgrS (décrit précédemment) pour inhiber la traduction de l’ARNm ptsG et stimuler la dégradation de l’ARNm ptsG. Cela réduit la génération de l’accumulation autrement toxique de G-6-P.
Il convient de noter que le PEP est un point de branchement dans des conditions aérobies et anaérobies. La carboxylation du PEP par la PEP carboxylase (gène ppc) fournit de l’oxaloacétate, qui se condense avec l’acétyl-CoA dérivé du pyruvate pour former du citrate pour faire fonctionner à la fois le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) et le shunt du glyoxylate en aérobiose. Pendant la fermentation, ce même oxaloacétate est un intermédiaire dans la voie réductrice (régénération du NAD) vers le succinate. En outre, l’oxaloacétate dérivé du PEP est utilisé (via une partie du cycle TCA) pour la biosynthèse de l’acide glutamique, même dans des conditions anaérobies.
La dernière réaction est une phosphorylation au niveau du substrat de l’ADP en ATP aux dépens du PEP pour donner du pyruvate. Les deux isozymes de la pyruvate kinase (gènes pykA et pykF) sont activés par les phosphates de sucre et le produit du gène pykF présente une coopérativité positive par rapport au substrat PEP, ce qui tend à nouveau à empêcher l’accumulation de cet intermédiaire phosphorylé et donc à empêcher la génération de plus de G-6-P via le mécanisme de transport PtsG dépendant du PEP.
A la fin de la voie EMP, 1 mol de glucose est converti en 2 mol de pyruvate, qui peut être utilisé pour un catabolisme ultérieur ou pour la biosynthèse. Elle produit également 2 moles d’ATP et 2 moles de NADH (qui doit être réoxydé pour que la voie continue à fonctionner). Comme la voie génère plusieurs intermédiaires toxiques, il n’est pas surprenant que le flux à travers la voie soit étroitement régulé. Les enzymes de la voie répondent rapidement aux variations de l’offre et de la demande par une rétro-inhibition et une activation du substrat des activités enzymatiques. Elles répondent également (plus lentement) par la régulation transcriptionnelle de l’expression génétique en réponse à des régulateurs globaux qui varient d’un organisme à l’autre.
La voie EMP fonctionne pour générer à la fois des intermédiaires biosynthétiques et de l’énergie catabolique à partir du glucose. Cependant, elle sert également de ligne de tronc central dans lequel de nombreuses autres voies cataboliques se nourrissent. Le G-6-P, le fructose-6-phosphate, le DHAP et le GAP sont des points de jonction communs où les voies cataboliques des sucres, des alcools, des graisses et des acides organiques s’alimentent dans la voie EMP.
.