Qu’est-ce que la glycolyse ? Où se déroule la glycolyse, définition et étapes de la voie de la glycolyse.
Objectifs clés de l’apprentissage
- Découvrir les voies de dégradation et d’oxydation du glucose
- Découvrir comment le métabolisme du glucose contribue à la production d’énergie cellulaire
- Apprendre comment le métabolisme du glucose est associé au processus de vieillissement
- Découvrir comment le métabolisme du glucose peut être soutenu
Qu’est-ce que la glycolyse ?
La glycolyse est la voie métabolique qui décompose le glucose, un glucide, pour produire de l’énergie cellulaire sous forme d’ATP. La glycolyse génère de l’ATP directement, comme produit des réactions chimiques de la voie, et indirectement, en utilisant l’énergie générée par les électrons extraits des liaisons chimiques du glucose. Ces électrons sont transportés par la molécule NAD vers la chaîne de transport d’électrons mitochondriale, où ils sont utilisés pour alimenter la production d’ATP par la phosphorylation oxydative (OXPHOS).
Dans cet article, nous allons examiner ces processus plus en détail. Mais avant cela, il est important de revoir quelques concepts qui nous aideront à comprendre ce qu’est la glycolyse et le rôle qu’elle joue dans le métabolisme cellulaire.
La glycolyse est une voie du métabolisme cellulaire
Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui entretiennent la vie. Parmi elles, celles qui nous permettent d’obtenir de l’énergie à partir des aliments et d’utiliser cette énergie pour synthétiser les molécules nécessaires à l’activité cellulaire. Le métabolisme se divise en deux types de processus : 1) le catabolisme, l’ensemble des voies de dégradation qui décomposent les grosses molécules en molécules plus petites, libérant l’énergie stockée dans les liaisons chimiques ; et 2) l’anabolisme, l’ensemble des voies de biosynthèse constructive qui construisent de grosses molécules à partir de molécules plus petites et stockent l’énergie cellulaire dans leurs liaisons chimiques. Cela signifie que la dégradation des aliments pour obtenir de l’énergie se fait par des réactions cataboliques, tandis que la synthèse des molécules cellulaires complexes à partir d’unités plus simples se fait par des réactions anaboliques .
L’énergie contenue dans les aliments n’est pas immédiatement disponible pour être utilisée par les cellules et doit être convertie par des réactions métaboliques en une forme d’énergie que les cellules peuvent utiliser. Cette forme est une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP), « la monnaie énergétique de la cellule » commune à tous les systèmes biologiques. L’ATP est utilisé pour toutes sortes de fonctions biologiques dans tous les types de cellules et de tissus, y compris, par exemple, pour alimenter la contraction musculaire ou soutenir l’activité neuronale.
Le métabolisme est la somme des processus interconnectés de demande d’énergie et de consommation d’énergie qui entretiennent la vie.
L’ensemble des réactions métaboliques par lesquelles l’énergie est extraite des nutriments pour générer de l’ATP est appelé respiration cellulaire. Dans le processus de respiration, l’oxygène (O2) est consommé et le dioxyde de carbone (CO2), l’eau (H2O) et la chaleur sont produits. L’énergie est extraite des nutriments par un type de réaction chimique appelé réaction d’oxydoréduction (de réduction – gain d’électrons – et d’oxydation – perte d’électrons). Dans les réactions d’oxydoréduction, les électrons (les particules chargées électriquement qui gravitent autour des noyaux des atomes) sont transférés d’une molécule (qui est oxydée) à une autre (qui est réduite). Par conséquent, on dit que, dans la respiration cellulaire, les nutriments sont oxydés pour générer de l’énergie cellulaire sous forme d’ATP.
Le glucose, obtenu à partir de la dégradation des glucides, et les acides gras, obtenus à partir de la dégradation des triglycérides (graisses), sont les principaux combustibles utilisés par les cellules pour générer de l’ATP ; les acides aminés obtenus à partir de la dégradation des protéines sont également utilisés, mais dans une moindre mesure.
La respiration cellulaire se déroule en trois grandes étapes. Dans la première, les molécules de carburant sont oxydées pour donner des fragments à deux carbones sous la forme du groupe acétyle de l’acétyl-coenzyme A (acétyl-CoA). Au cours de la deuxième étape, les groupes acétyle sont oxydés dans les mitochondries dans le cycle de l’acide citrique, les électrons étant transférés aux porteurs d’électrons que sont le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD), qui dépend de la vitamine B3, et la flavine adénine dinucléotide (FAD), qui dépend de la vitamine B2. Dans la troisième étape de la respiration, les électrons sont transférés à l’oxygène via la chaîne de transport d’électrons (ETC) dans les mitochondries, leur énergie étant utilisée pour alimenter la production d’ATP par un processus appelé phosphorylation oxydative (OXPHOS) .
La glycolyse fait partie de la première étape de la respiration cellulaire : c’est la voie qui oxyde le glucose. La glycolyse génère la molécule pyruvate, qui est ensuite convertie en acétyl-CoA pour être utilisée dans la deuxième étape de la respiration cellulaire.
La respiration cellulaire est comme une réaction de combustion très lente : elle brûle les combustibles pour générer de l’énergie, en consommant de l’oxygène et en libérant du dioxyde de carbone et de la chaleur dans le processus.
Figure 1 : Extraction et stockage métaboliques de l’énergie provenant des aliments. Source : OpenStax, Anatomie et physiologie ; 24.1 Aperçu des réactions métaboliques. Licence CC BY 4.0.
Qu’est-ce que le glucose ? Pourquoi la glycolyse est-elle importante ?
Le glucose est un glucide. Les glucides sont un type de biomolécules composées de carbone, d’hydrogène et d’oxygène qui comprennent les sucres, les amidons et la cellulose. Plus précisément, le glucose est un monosaccharide, la forme la plus simple de sucre et le type de glucide le plus basique .
Nous obtenons du glucose alimentaire à partir de la décomposition de glucides complexes, tels que l’amidon, composés de plusieurs à plusieurs unités de monosaccharides jointes ensemble (c’est-à-dire qu’il s’agit de polysaccharides). Le glucose provient également de la dégradation de sucres alimentaires plus simples, tels que les disaccharides (constitués de deux unités monosaccharidiques), comme le saccharose ou le lactose, par exemple. D’autres monosaccharides, comme le fructose ou le galactose, peuvent également être utilisés pour la production d’énergie, mais ils doivent d’abord être convertis en d’autres molécules qui peuvent être utilisées dans les voies métaboliques du glucose .
La glycolyse est importante car c’est la voie métabolique par laquelle le glucose génère de l’énergie cellulaire. Le glucose est la source d’énergie la plus importante pour tous les organismes vivants. Dans le corps humain, le glucose est le carburant préféré de la grande majorité des cellules : c’est le seul carburant que les globules rouges peuvent utiliser, le carburant préféré utilisé par le cerveau dans des conditions de non famine, et le principal carburant utilisé par les muscles pendant un exercice intense.
Le glucose est si important que notre corps dispose de plusieurs mécanismes pour s’assurer que le taux de sucre dans le sang reste relativement constant afin que le cerveau soit toujours correctement alimenté en glucose. Après un repas, l’augmentation de la glycémie accroît la libération de l’hormone pancréatique, l’insuline, qui stimule à son tour l’absorption du glucose par les tissus, principalement le foie et les muscles squelettiques, et le stockage du glucose sous forme de glycogène. Entre les repas, une diminution de la glycémie augmente la libération de l’hormone pancréatique glucagon, qui stimule à son tour la dégradation des réserves de glycogène en glucose et sa libération dans le sang. Les réserves de glycogène sont également mobilisées lorsque le glucose est utilisé pour soutenir une activité physique.
Le glucose, qui est un glucide, est la source d’énergie la plus importante pour la plupart des cellules. Son taux sanguin est maintenu relativement constant pour assurer un approvisionnement régulier du cerveau.
Le glucose est oxydé dans la glycolyse pour produire de l’ATP
La glycolyse a lieu dans la matrice fluide des cellules (le cytosol) dans une séquence de dix réactions divisées en deux étapes. Dans la première étape, le glucose (qui a six carbones) est divisé en deux fragments à trois carbones dans un processus qui consomme effectivement de l’ATP pour préparer le glucose à la dégradation. Dans la deuxième étape, chaque fragment à trois carbones est oxydé en une molécule appelée pyruvate dans un processus qui produit de l’ATP.
Les électrons extraits lors des réactions d’oxydation sont transférés au NAD+, une molécule d’oxydoréduction qui transporte les électrons vers la chaîne de transport d’électrons (ETC) mitochondriale pour produire davantage d’ATP par le biais de la phosphorylation oxydative (OXPHOS).
Figure 2 : Glycolyse. Source : OpenStax, Anatomie et physiologie ; 24.2 Métabolisme des glucides.
License CC BY 4.0.
La glycolyse est la voie métabolique qui décompose le glucose pour produire de l’ATP.
La première étape de la glycolyse utilise l’ATP
Le glucose peut facilement entrer et sortir des cellules par les transporteurs membranaires. Cependant, une simple modification structurelle suffit à le maintenir à l’intérieur des cellules pour être métabolisé : l’ajout d’une structure chimique appelée groupe phosphoryle (un atome de phosphore avec trois atomes d’oxygène attachés) dans une réaction connue sous le nom de phosphorylation. La glycolyse commence précisément par faire cela : elle phosphoryle le glucose et le piège à l’intérieur des cellules.
La phosphorylation du glucose est effectuée par une enzyme appelée hexokinase qui prend un groupe phosphoryle de l’ATP et le transfère au glucose, produisant du glucose 6-phosphate (voir étape 1 de la figure 3) . L’hexokinase appartient à une famille d’enzymes appelées kinases (classification des enzymes qui phosphorylent un substrat en utilisant un groupe phosphoryle de l’ATP ou vice versa). Toutes les enzymes kinases ont besoin de magnésium pour leur activité. Le magnésium joue donc un rôle important dans cette réaction. En fait, le magnésium joue un rôle clé dans la glycolyse en général, car c’est un cofacteur pour toutes les kinases qui participent à cette voie. L’une des principales raisons pour lesquelles Qualia Life (anciennement appelé Eternus) contient du magnésium est de soutenir les réactions de la glycolyse.
Dans les étapes suivantes de la glycolyse, le glucose 6-phosphate est converti en fructose 6-phosphate (étape 2, figure 3), qui à son tour est à nouveau phosphorylé pour donner du fructose 1,6-bisphosphate (étape 3, figure 3). Cette seconde phosphorylation est effectuée par une autre kinase (phosphofructokinase) en utilisant une autre molécule d’ATP et du magnésium comme cofacteur. Cette molécule à six carbones est ensuite clivée en deux molécules à trois carbones (étape 4, figure 3), différentes mais interconvertibles (étape 5, figure 3) ; la forme glycéraldéhyde-3-phosphate est utilisée dans la deuxième étape de la glycolyse .
Figure 3 : La première étape de la glycolyse. Source : OpenStax, Biologie ; 7.2 Glycolyse.
License CC BY 4.0.
La première étape de la glycolyse utilise l’ATP pour préparer le glucose à la dégradation ; c’est un investissement d’ATP qui sera rentable.
La deuxième étape de la glycolyse produit de l’ATP
La première réaction de la deuxième étape transforme le glycéraldéhyde 3-phosphate en 1,3-bisphosphoglycérate (étape 6, figure 4) . Cette réaction comprend deux processus couplés : une oxydation et une addition de phosphate. La réaction d’oxydation extrait deux électrons du glycéraldéhyde 3-phosphate, qui sont transférés à la molécule redox NAD+ (dérivée de la vitamine B3), la réduisant à la forme NADH. Dans l’étape suivante, le 3-phosphoglycérate est produit par une autre kinase (phosphoglycérate kinase, avec le magnésium comme cofacteur) avec la production concomitante d’ATP (étape 7, figure 4). Qualia Life soutient ces réactions en fournissant du magnésium et de la vitamine B3 sous forme de Niacinamide et d’acide nicotinique .
Dans les deux étapes suivantes, le 3-phosphoglycérate est réarrangé (étape 8, figure 4) puis déshydraté (étape 9, figure 3) pour former du phosphoénolpyruvate. Dans la dernière étape de la glycolyse, le phosphoénolpyruvate est converti en pyruvate et une autre molécule d’ATP est produite pyruvate kinase en utilisant le magnésium comme cofacteur (étape 10, figure 4).
Dans la deuxième étape, deux molécules d’ATP sont générées à partir de chaque unité à trois carbones, ce qui signifie que chaque molécule de glucose donne quatre molécules d’ATP. Étant donné que la première étape de la glycolyse utilise deux molécules d’ATP pour préparer le glucose à la dégradation, le résultat net de la glycolyse est la production de deux molécules d’ATP par molécule de glucose .
Ce mécanisme de production d’ATP est appelé phosphorylation au niveau du substrat. Il utilise l’énergie chimique libérée par la conversion d’un substrat de plus haute énergie en un produit de plus basse énergie pour alimenter le transfert d’un groupe phosphoryle afin de produire la molécule de haute énergie ATP. La phosphorylation au niveau du substrat est une source d’ATP plus rapide, mais moins efficace. Elle a également pour inconvénient d’utiliser un NAD+, qui devient du NADH. Comme nous le verrons dans la partie 4 de cette série, la plupart de l’ATP est générée par la phosphorylation oxydative, et le NAD+ sera récupéré lors de cette étape finale de la respiration cellulaire.
Figure 4 : La seconde moitié de la glycolyse. Source : OpenStax, Biologie ; 7.2 Glycolyse.
License CC BY 4.0.
La deuxième étape de la glycolyse génère du pyruvate, du NADH et de l’ATP ; le résultat net de la glycolyse est la production de deux molécules d’ATP par molécule de glucose mais au prix d’un NAD+.
Le pyruvate produit dans la glycolyse donne de l’acétyl-CoA dans les mitochondries
La glycolyse ne donne qu’une fraction de l’ATP qui peut être produite par l’oxydation complète du glucose. C’est parce que les molécules de pyruvate produites dans la glycolyse peuvent encore être oxydées. C’est dans les voies suivantes de la production d’énergie cellulaire, le cycle de l’acide citrique et l’OXPHOS, que la grande majorité de la production d’ATP a lieu.
Alors que la glycolyse a lieu dans le cytosol, le cycle de l’acide citrique et l’OXPHOS ont lieu dans les mitochondries . Par conséquent, le pyruvate, produit final de la glycolyse, est transporté dans les mitochondries où il est converti en fragments à deux carbones – unités acétyles – et en dioxyde de carbone (CO2). Dans cette réaction, réalisée par un groupe d’enzymes appelé complexe pyruvate déshydrogénase, les électrons extraits du pyruvate sont transférés au NAD+, le réduisant en NADH. Les unités d’acétyle sont transférées au coenzyme A (CoA, dérivé de l’acide pantothénique, c’est-à-dire la vitamine B5) pour former l’acétyl-CoA, la molécule qui alimente en unités de deux carbones le cycle de l’acide citrique, où elles seront encore oxydées. Les électrons extraits de chaque unité acétyle seront ensuite utilisés pour générer de l’ATP par le biais de l’OXPHOS.
Figure 5 : Oxydation du pyruvate. Source : OpenStax, Anatomie et physiologie ; 24.2 Métabolisme des glucides.
License CC BY 4.0.
La conversion mitochondriale du pyruvate en acétyl-CoA est le lien entre la glycolyse et le cycle de l’acide citrique. Il s’agit d’une réaction importante qui nécessite plusieurs cofacteurs : CoA (dérivé de l’acide pantothénique), NAD+ (synthétisé à partir de composés à activité vitaminique B3 ou en utilisant le L-tryptophane comme substrat et la vitamine B6 comme cofacteur), FAD+ (flavine adénine dinucléotide, dérivé de la vitamine B2 c’est-à-dire la riboflavine), le coenzyme thiamine pyrophosphate (dérivé de la vitamine B1 c’est-à-dire la thiamine) et l’acide lipoïque .
Qualia Life soutient ces réactions en fournissant du niacinamide et de l’acide nicotinique (vitamine B3) , de la riboflavine (vitamine B2) , de l’acide pantothénique (vitamine B5) , de la thiamine HCl (vitamine B1) , du pyridoxal-5′-Phosphate (vitamine B6) , de l’acide lipoïque , du L-Tryptophane et du magnésium .
Le pyruvate est transformé en acétyl-CoA dans les mitochondries ; cette étape relie la glycolyse au cycle de l’acide citrique et à la phosphorylation oxydative. Elle s’accompagne d’un coût d’une unité de NAD+ (qui sera récupérée ultérieurement).
Le NADH produit dans la glycolyse génère de l’ATP dans la mitochondrie
Le NAD+ est une molécule d’oxydoréduction qui transporte des électrons vers la chaîne de transport d’électrons (CTE) mitochondriale pour produire de l’ATP par l’OXPHOS. Dans l’oxydation de chaque molécule de glucose en acétyl-CoA, quatre molécules de NAD+ sont utilisées, chacune recevant deux électrons et devenant la forme NADH. Comme le NAD+ est un élément central de la production d’ATP, il est important que les cellules maintiennent un pool de NAD+ disponible pour recevoir des électrons .
Qualia Life contient un ensemble d’ingrédients qui favorisent la régulation à la hausse du pool de NAD+ dans les cellules. Il s’agit notamment des proanthocyanidines de raisin (dans l’extrait de raisin, BioVin®) , du resvératrol (dans l’extrait de raisin, BioVin®) , du coenzyme Q10 et de l’acide lipoïque .
Le NADH transporte les électrons vers la chaîne de transport d’électrons mitochondriale pour produire de l’ATP par phosphorylation oxydative. Le NAD+ est régénéré dans le processus.
Comment le métabolisme du glucose a un impact sur le vieillissement
Le glucose et d’autres monosaccharides ont la capacité de réagir avec les groupes amino des protéines, des lipides et des acides nucléiques pour produire une modification structurelle appelée glycation non enzymatique. Ces molécules modifiées sont appelées produits finaux de glycation avancée (AGE) et elles perdent leur fonction – ce sont des molécules endommagées.
Les AGEs sont généralement dégradés par les mécanismes de contrôle de la qualité cellulaire, mais ils peuvent s’accumuler dans les tissus. La production d’AGE augmente lorsqu’il y a une exposition prolongée à des niveaux élevés de glucose dans le sang, par exemple. La dégradation des AGE diminue avec le vieillissement en raison de la perte progressive de l’efficacité métabolique et des mécanismes de défense cellulaire .
L’accumulation des AGE est un acteur majeur du vieillissement et du développement des dysfonctionnements liés à l’âge. Par exemple, la glycation des protéines peut contribuer à la rigidification des vaisseaux sanguins et à l’agrégation neurodégénérative des protéines dans le cerveau. De plus, en plus d’être des molécules endommagées, les AGE peuvent activer des voies de signalisation qui contribuent au dysfonctionnement des tissus en augmentant le stress oxydatif et la production d’autres molécules dommageables.
Par conséquent, l’efficacité du métabolisme des glucides est importante non seulement pour la production d’énergie cellulaire, mais aussi pour minimiser les dommages cellulaires associés à la glycation. Si les sucres ne sont pas utilisés dans les voies d’énergie cellulaire, ils peuvent réagir avec les protéines, les graisses et d’autres molécules et contribuer à un vieillissement malsain. Pour ces raisons, il est important de soutenir les voies métaboliques du glucose pour aider notre corps à se protéger contre l’accumulation des AGE.
La perte d’efficacité du métabolisme du glucose et des mécanismes de défense cellulaire liée à l’âge peut conduire à l’accumulation de produits finaux de glycation avancée (AGE) dommageables.
Pourquoi soutenir le métabolisme du glucose/la glycolyse est important
Soutenir le métabolisme du glucose contribue au maintien d’un flux glycolytique sain. Ceci est crucial, avant tout, parce que le glucose est la source d’énergie la plus importante pour nos cellules et nos tissus. Un métabolisme glucidique sain est important pour une production efficace d’ATP pour alimenter les processus biologiques.
Un métabolisme efficace du glucose est également fondamental pour le maintien d’une glycémie saine. Parmi d’autres avantages (comme une signalisation saine de l’insuline, par exemple), cela permet de diminuer la probabilité de réactions de glycation néfastes des protéines et des graisses.
Le métabolisme du glucose peut être soutenu en fournissant des précurseurs pour les cofacteurs qui participent à la glycolyse et à la production d’acétyl-CoA. Comme nous l’avons vu, Qualia Life fournit ces ingrédients. Qualia Life fournit également des ingrédients qui soutiennent les enzymes régulatrices du glucose, comme l’extrait de feuille de Rosmarinus officinalis (50% d’acide ursolique) . De plus, Qualia LIfe contient également des ingrédients qui soutiennent les voies de contrôle de la qualité cellulaire qui fonctionnent pour protéger contre les AGE. Il s’agit notamment de l’extrait de racine de Kaempferia parviflora Sirtmax® et de l’extrait de feuille de Rosmarinus officinalis (50% d’acide ursolique) .
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