# Glucides et leur métabolisme/Catabolisme

La glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire sont les processus qui permettent la production d'énergie à partir du glucose. Ils constituent la respiration aérobique.

## Glycolyse

La glycolyse est une voie métabolique qui correspond au catabolisme du glucose. À partir de ce substrat, elle permet d'obtenir du pyruvate (acide pyruvique), utilisable dans d'autres voies métaboliques, et de l'énergie sous forme d'adénosine triphosphate (ATP).
La glycolyse peut s'effectuer en anaérobiose, c'est-à-dire qu'elle ne nécessite pas d'oxygène. Elle se déroule dans le cytoplasme des cellules.

### Phosphorylations successives à partir du glucose
#### Glucose-6-phosphate

La phosphorylation du glucose au niveau du 6e carbone permet d'obtenir le glucose-6-phosphate. La réaction nécessite une molécule d'ATP.
Cette étape de la glycolyse permet de garder la quantité de glucose contenue dans la cellule à un niveau faible afin que d'autres molécules puissent rentrer. De plus, le glucose-6-phospate ne peut pas quitter la cellule faute de transporteur pour traverser le cytoplasme.
C'est une opération irréversible. Elle est catalysée par des kinases (enzymes en charge de catalyser les phosphorylations) : les hexokinases et les glucokinases, avec un ion Mg$^{2+}$ comme cofacteur (= substance chimique non protéique liée à une protéine et nécessaire à son activité).

##### Régulation

* L'expression génique de l'hexokinase et de la glucokinase est induite par l'insuline. Or ces enzymes sont indispensables à cette étape de la glycolyse, la glycolyse peut donc être indirectement accélérée par l'insuline.
* Lhexokinase est inhibée par son propre produit (rétrocontrôle négatif), le glucose-6-phosphate, permettant ainsi de limiter la quantité de produits intermédiaires.

#### Fructose-6-phosphate

Le glucose-6-phosphate est ensuite isomérisé en fructose-6-phosphate.
Cette réaction est réversible. Elle est catalysée par l'enzyme glucose-6-phosphate isomérase.

#### Fructose-1,6-diphosphate

Le fructose-6-phosphate est enfin phosphorylé au niveau du 1e carbone. Le produit de cette réaction est le fructose-1,6-diphosphate.
Cette réaction est irréversible. Elle est catalysée par la phosphofructokinase-1 (PFK-1).

##### Régulation

* L'ATP, issu principalement de la glycolyse, inhibe l'action de la PFK-1.
* L'AMP (adénosine monophosphate), issu du catabolisme de l'ATP, active l'action de la PFK-1.
* Le fructose-2,6-diphosphate active l'action de la PFK-1. Il est synthétisé à partir du fructose-6-phosphate, cette réaction est catalysée par la PFK-2. N'ayant aucun devenir métabolique son seul rôle est de fournir un indicateur à la PFK-1 de la concentration de fructose-6-phosphate est ainsi de la réduire en cas d'excès.
L'action de la PFK-2 dépend quant à elle de son état de phosphorylation : l'insuline la déphosphoryle, dans ce cas le fructose-2,6-phosphate sera synthétisé à partir du fructose-6-phosphate, accélérant de ce fait la glycolyse; le glucagon effectue l'action contraire.

### Clivage du fructose-1,6-diphosphate
#### Glycéraldéhyde-3-phosphate

* Le fructose-1,6-diphosphate est d’abord clivé divisé en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et en déshydroacétone phosphate (DHAP).
Cette réaction est réversible. Elle est catalysée par une enzyme lyase (enzyme permettant la rupture de liaisons chimiques avec d'autres moyens que l'hydrolyse ou l'oxydation) : la fructose-diphosphate aldolase.
* Le DHAP est ensuite isomérisée en G3P.
Cette réaction est réversible. Elle est catalysée par la triose-phosphate isomérase.
* Au final, le clivage du fructose-1,6-diphosphate donne 2 molécules de G3P.

### Synthèse du pyruvate et récupération de l'ATP
#### 1,3-diphospho-D-glycérate

La phosphorylation du G3P au niveau de son premier carbone donne le 1,3-diphospho-D-glycérate (1,3-DPG)
Cette réaction est réversible. Elle nécessite un phosphate inorganique (Pi). Elle est catalysée par une enzyme oxydo-réductase (enzyme en charge de catalyser des réactions rédox) : la glycéraldéhyde-3-phosphate. Cette enzyme est associée à une coenzyme (= molécule non protéique et qui intervient dans des réactions de transfert), la nicotinamide adénine dinucléotide (NAD), permettant le transport d'électrons.
La NAD se présente sous la forme NAD$^+$ lorsqu'elle sert d'agent d'oxydation et NADH, H$^+$ lorsqu'elle sert d'agent de réduction.

#### 3-phosphoglycérate

Le 1,3-DPG est ensuite converti en 3-phosphoglycérate.
Cette réaction est réversible. Elle est catalysée par la phosphoglycérate kinase. La molécule de 1,3-DPG est déphosphorylée, le phosphate inorganique ainsi obtenu va se lier à une molécule d'ADP pour former de l'ATP.

#### 2-phosphoglycérate

Le 3-phosphoglycérate est isomérisée en 2-phosphoglycérate.
Cette réaction est réversible. Elle est catalysée par la phosphoglycérate mutase.

#### Phosphoénolpyruvate

Le 2-phosphoglycérate est converti en phosphoénolpyruvate. Cette réaction a aussi pour produit de l'eau.
Cette réaction est réversible. Elle est catalysée par une enzyme lyase : l'éolase.

#### Pyruvate

Le phosphoénolpyruvate est enfin converti en pyruvate.
Le phosphate inorganique obtenu par la déphosphorylation du phosphoénolpyruvate va se lier à une molécule d'ADP pour former de l'ATP.
Cette réaction est irréversible. Elle est catalysée par la pyruvate kinase.

##### Régulation

* L'ATP, ainsi que l'acétyl-CoA (molécule issue de la dégradation du pyruvate) sont des inhibiteurs de la pyruvate kinase.
* L'AMP et au fructose-1,6-diphosphate sont des activateurs de la pyruvate kinase.
* Dans le foie, le glucagon phosphoryle l'enzyme pour l'inhiber
* L'insuline la déphosphoryle pour l'activer.

### Bilan
## Cycle de Krebs et chaîne respiratoire

Le cycle de Krebs, du nom de son découvreur, le lauréat du prix Nobel 1953 de physiologie ou médecine, Hans Adolf Krebs, est une voie métabolique complexe, effectuée dans les mitochondries. Le substrat intervenant dans la première réaction (l'oxaloacétate), intervient aussi dans la dernière, c’est pourquoi on qualifie le cycle de Krebs de cycle. Il s'effectue en aérobie, c'est-à-dire qu’il nécessite de l'oxygène pour fonctionner. Il se déroule dans la matrice mitochondriale des eucaryotes et dans le cytoplasme des bactéries.

### L'acétyl-CoA

Le point de départ du cycle de Krebs est l'acétyl-CoA.
L'acétyl-CoA est une macromolécule composée d'acide acétique et de coenzyme A (elle-même composée d'un ADP, d'une vitamine B5 et d'un cystéine). Cette molécule joue un rôle très important au sein du métabolisme. Elle est en effet au centre d'un "carrefour" métabolique : il peut être obtenu suite à la dégradation du glucose (glycolyse, puis décarboxylation oxydative du pyruvate), des acides gras (β-oxydation) ou encore des acides aminés. À l'inverse, ces derniers peuvent aussi être synthétisés à partir de l'acétyl-CoA.

### Énergie libérée par le cycle de Krebs

L'énergie libérée par les réactions du cycle de Krebs se présente sous la forme de :
* guanosine triphosphate (GTP, équivalent de l'ATP), obtenu à partir de la phosphorylation de la guanosine diphosphate (GDP)
* pouvoir réducteur, c'est-à-dire d'agents de réduction, qui sont la NADH,H$^+$ et le CoQH$_2$ (Coenzyme Q ou ubiquinone, obtenu à partir de la réduction du CoQ$^+$).
À partir d'1 mole d'acétyl-CoA, le cycle de Krebs permet de faire réagir 3 moles de NAD$^+$, 1 mole de GDP, 1 mole de Pi et une mole de CoQ$^+$ et ainsi d'obtenir 3 moles de NADH,H$^+$, 1 mole de GTP et 1 mole de CoQH$_2$.

### Énergie libérée par la chaîne respiratoire

La chaîne respiratoire est un processus complexe. Il est effectué grâce à des protéines membranaires des mitochondries des cellules eucaryotes. Le processus s'accompagne d'une libération importante d'énergie permettant la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate. On estime le nombre d'ATP produit à :
* 2,5 moles par mole de NADH,H$^+$ oxydé
* 1,5 moles par mole de CoQH$_2$ oxydé

### Régulation

Les processus du cycle de Krebs, tout comme ceux de la chaîne respiratoire, sont activés par la présence dADP et de Pi (témoin d'une consommation d'ATP) et inhibés par la présence d'ATP et de NADH,H$^+$ (témoin d'une production importante). Ils s'adaptent donc en fonction du besoin et des ressources de l'organisme.

## Bilan

En considérant l'enchainement de la glycolyse, du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire, ces 3 processus permettent d'obtenir 36 à 38 moles d'ATP à partit d'1 mole de glucose.