La chimie nous apprend que les réactions d’oxydation sont toujours couplées à une réduction. Une substance oxydée cède ses électrons et augmente son nombre d’oxydation. Les électrons cédés sont acceptés par une autre substance qui devient réduite (son nombre d’oxydation diminue). Ce mécanisme dit d’oxydo-réduction est bien connu en chimie organique mais est aussi présent dans toute la biochimie cellulaire. Le glucose est la source carbonée préférée des cellules eucaryotes et procaryotes. Il est central dans le métabolisme cellulaire puisqu’il constitue la colonne vertébrale du métabolisme carboné, à laquelle sont branchées la plupart des voies de biosynthèse et de production d’énergie (Fig. 4 et 6). La conversion d’une molécule de glucose en des intermédiaires énergétiques et des précurseurs de la biomasse est basée, elle aussi, sur le principe d’oxydo-réduction (Moussard, 2006).
1. La glycolyse / voie de Embden-Meyerhof-Parnas
La glycolyse est une voie métabolique d’assimilation du glucose et fondamentale à la production d’énergie chez les organismes vivants. Elle est composée d’une série de dix réactions enzymatiques. La première réaction est la phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate. S’ensuivent neuf réactions permettant de générer deux molécules de pyruvate et deux molécules d’adénosine triphosphate (ATP), la forme d’énergie universelle et utilisée par tous les organismes vivants (Fig. 5).
Tableau 2 : Le bilan de la glycolyse.
Consommation (mol) Production (mol)
Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvate + 2 (NADH, H+) + 2 ATP + 2 H2O
2. La voie de Entner–Doudoroff
La voie d’Entner–Doudoroff permet aussi la dégradation du glucose en pyruvate. Elle a été mis en évidence en 1952 par Michael Doudoroff and Nathan Entner (Entner and Doudoroff, 1952). Cette voie se distingue de la glycolyse seulement dans la phase d’investissement. En effet une enzyme clé, 2-céto-3-déoxyphosphogluconate (CDPG) aldolase, identifiée chez les procaryotes permet un « by-pass » de la voie haute de la glycolyse par la conversion de la 6-phosphogluconate en glycéraldéhyde-3-phosphate et génère une molécule de pyruvate (Fig. 5). Cependant, cette enzyme a récemment été identifiée chez les cyanobactéries, les algues et les plantes (Chen et al., 2016).
Tableau 3 : Le bilan de la voie de Entner-Doudouroff.
Consommation (mol) Production (mol)
Glucose + NAD+ + NADP+ ADP + Pi → 2 Pyruvate + NADH + NADPH + ATP + H2O
3. La voie des pentoses phosphates
La voie des pentoses phosphates (PPP) est une autre composante du métabolisme central du carbone. Elle est présente chez toutes les cellules et se déroule dans le cytoplasme. La PPP permet de gérer des intermédiaires essentiels à la croissance cellulaire. Elle est directement branchée à la glycolyse au niveau du G6P et permet de générer la coenzyme nicotinamide
adénine dinucléotide phosphate (NADPH) utilisée pour la synthèse des lipides, la production du ribose-5-phosphate (R5P) utilisé dans la synthèse des nucléotides, ainsi que la production de l’érythrose-4-phosphate (E4P), un précurseur pour la synthèse de certains acides aminés (Fig. 5).
Tableau 4 : Le bilan de la voie des pentoses phosphates.
Consommation (mol) Production (mol)
3 G6P + 6 NADP+ + 3 H2O → 2 F6P + G3P + 6 NADPH + 3 CO2
Figure 5 : Les voies de la dégradation du glucose.
La glycolyse/EM (en roue) est caractérisée par deux phases : une phase dite « d’investissement » et la phase de « remboursement ». Pendant la phase d’investissement, le glucose est converti en glucose-6-phosphate (G6P) → fructose-6-glucose-6-phosphate (F6P) → fructose-1,6-glucose-6-phosphate (F1,6P) → glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) + dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Deux molécules d’ATP sont consommées. La phase de « remboursement » produit quatre molécules d’ATP par la phosphorylation des molécules d’adénosine diphosphate (ADP). La glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) est convertie en 1,3-biphosphoglycérate (1,3BPG) → 3-phosphoglycérate (3PG) → 2-phosphoglycérate (2PG) → phosphoénolpyruvate (PEP) → pyruvate. La glycolyse fait intervenir deux coenzymes, indispensables à l’oxydation du glucose. Ce couple oxydo-réducteur est représenté par la coenzyme oxydée nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+) et sa forme réduite NADH. La voie de Entner–Doudoroff (en vert) convertit le glucose en gluconate par le glucose déshydrogénase (GD). Gluconate est à son tour converti en 6-Phosphogluconate (6PG) puis en 2-céto-3-déoxyphosphogluconate (CDPG). CDPG aldolase est l’enzyme clé de la voie ED et catalyse la synthèse du pyruvate. La voie des pentoses phosphate (en bleu). La phase oxydative de la PPP permet la conversion du G6P en R5P et la réduction du NADP+ en NADPH. La deuxième phase est non-oxydative et rejoint la voie de la glycolyse par la synthèse du F6P et de la G3P à partir du E4P. (Chen et al., 2016)
4. Le cycle de Krebs
La quatrième voie métabolique essentielle à la production de l’énergie et de la biomasse est le cycle de Krebs. Il a eu lieu chez les procaryotes et dans la mitochondrie des cellules eucaryotes (Fig. 7). Le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique permet l’oxydation complète ou partielle du pyruvate sous forme de dioxyde de carbone (CO2) et de molécules d’eau. Il donc est directement impliqué dans le processus de respiration chez les cellules eucaryotes. Il est à noter la présence d’un cycle appelé cycle du glyoxylate chez les plantes, les champignons et certaines levures. Cette voie métabolique est dérivée du cycle de Krebs et participe à l’anabolisme des lipides et des glucides. L’enzyme isocitrate lyase catalyse la production du glyoxylate avec la formation d’une molécule de succinate. Le glyoxylate est convertie est malate par la malate synthase et consomme une molécule d’acétyl-CoA.
Figure 6 : Le cycle de Krebs.
La première étape du cycle est le transfert d’un groupement acétyle sur une molécule d’oxaloacétate pour former une molécule de citrate. Le citrate est converti en isocitrate par isomérisation. Le cycle de Krebs se poursuit par des étapes d’oxydation et de décarboxylation et libération de molécules de CO2. L’α-cétoglutarate (A-CETO) est produit par la décarboxylation de l’isocitrate puis est à son tour décarboxylé en Succinyl-CoA (SUCCoA). SUCCoA est convertit en succinate puis fumarate. Le malate est formé par hydratation du fumarate avant d’être converti en oxaloacétate.
Tableau 5 : Le bilan du cycle de Krebs.
Consommation (mol) Production (mol)
Pyruvate + 4 NAD+ + ADP + Pi + 2 H2O → 4 NADH + ATP + 3 CO2