La voie d’Embden–Meyerhof–Parnas

La glycolyse peut être définie au sens large comme une voie génératrice d’énergie qui se traduit par le 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 se déroule via un intermédiaire acide gluconique et un ensemble complexe de réarrangements qui se déroulent via un intermédiaire pentose (Figure 1).

Figure 1. Les voies glycolytiques d’Escherichia coli. La voie la plus à gauche est la voie Emden-Meyerhof-Parnas; celle la plus à droite est la voie Entner-Doudoroff. Les gènes qui codent pour les principales enzymes des 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 puissance réductrice (comme NADH ou NADPH). La ligne courbe en gras près du haut de la figure représente la membrane cytoplasmique; les réactions au-dessus de cette ligne incurvée se produisent dans le périplasme, celles en dessous se produisent dans le cytoplasme.

La voie EMP est présente dans les organismes de toutes les branches des bactéries, des archées et des eucaryotes. 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 fermentatif. Cependant, la voie fonctionne également efficacement comme base de la respiration aérobie du glucose. Les différences entre la fermentation et la respiration résident en grande partie dans les destins différents du pyruvate produit (voir plus loin). Pour simplifier, 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 le début du métabolisme du glucose, il doit être transporté dans la cellule et phosphorylé. Chez E. coli, ces deux processus sont intimement couplés de sorte que le glucose est phosphorylé par le système phosphotransférase (PTS) lors de son passage dans la cellule. Étant donné que le glucose-6-phosphate (G-6-P), comme la plupart sinon la totalité des phosphates de sucre, est toxique à des concentrations cellulaires élevées, ce processus de transport est étroitement réglementé. La transcription du gène transporteur spécifique du glucose, le ptsG, n’est maximale que lorsque l’adénosine monophosphate cyclique (AMPc) (limitation de l’énergie de signalisation) s’accumule. De plus, la traduction de l’ARN messager du ptsG (ARNm) 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 lorsque la demande en plus d’énergie est faible ou que la concentration en G-6-P est dangereusement élevée.

En l’absence de protéine PtsG, d’autres transporteurs liés au PTS, en particulier le transporteur spécifique du mannose, ManXYZ, peuvent également transporter et phosphoryler le glucose. Cependant, les mutants de ptsG se développent plus lentement sur le glucose que sur les souches de type sauvage. Le glucose libre peut également s’accumuler intracellulairement à la suite de la dégradation d’oligosaccharides contenant du glucose tels que le lactose ou le maltose. L’entrée du glucose intracellulaire dans la voie EMP se fait 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 phosphates de triose. Premièrement, une phosphoglucose isomérase réversible (gène igp) convertit le G-6-P en fructose-6-phosphate. Un mutant IGP peut encore croître lentement sur le glucose en utilisant d’autres voies glycolytiques (voir plus loin), mais la voie EMP est bloquée chez un mutant IGP. Le fructose-6-phosphate résultant est en outre phosphorylé en position C1 en fructose-1,6,-bisphosphate au détriment de l’adénosine triphosphate (ATP) par une phosphofructokinase codée par pfkA. Une deuxième isozyme mineure de phosphofructokinase codée par pfkB permet une croissance lente des mutants pfkA. Un ensemble potentiellement concurrent de phosphatases qui éliminent le phosphate C1 de la fonction fructose-1,6,-bisphosphate pendant la gluconéogenèse, mais qui sont contrôlées pendant la glycolyse par divers mécanismes de rétroaction pour empêcher un cycle inutile.

La réaction suivante dans la voie est le clivage du fructose-1,6-bisphosphate en deux phosphates de triose qui donne son nom à la voie (glycolyse = rupture du sucre). Cette réaction réversible est réalisée 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 liée (gène fbaB) n’est produite que pendant la gluconéogenèse et ne joue donc aucun rôle dans la glycolyse. Les deux phosphates de triose sont librement interconversibles via la trioséphosphate isomérase (gène tpi). Le DHAP est un substrat clé pour la biosynthèse des lipides. GAP est un nœud important dans la glycolyse; deux autres voies glycolytiques courantes (voir ci-dessous) rejoignent la voie EMP à GAP.

Jusqu’à présent, la voie EMP peut être considérée comme une voie biosynthétique car elle donne trois blocs 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 à haute énergie. L’incorporation de 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 en utilisant la chaîne respiratoire pour produire de l’ATP. En conditions anaérobies, ce NADH est réoxydé par couplage à la réduction de 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 en C1 du 1,3-diphosphoglycérate. Il s’agit de la première des deux phosphorylations au niveau du substrat où le phosphate est transféré d’un substrat hautement réactif directement à l’ADP sans l’intervention de l’ATP synthase membranaire.

Les deux étapes suivantes réorganisent 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 non liées à 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 aient les deux isozymes, de nombreux organismes n’en ont que l’un ou l’autre. Par exemple, la levure Saccharomyces cerevisiae, la bactérie Mycobacterium tuberculosis et tous les vertébrés n’ont que l’enzyme dépendante des cofacteurs, alors que les plantes supérieures, les archées et la bactérie Pseudomonas syringae n’ont que l’enzyme indépendante des cofacteurs. Un 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, la PEP. Bien que le pyruvate soit généralement considéré comme le produit final de la voie EMP, on peut affirmer que la PPE partage cet honneur. La PEP est la source ultime de phosphate pour le transport / phosphorylation du glucose médié par le 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 du ptsG et stimuler la dégradation de l’ARNm du ptsG. Cela réduit la génération de l’accumulation par ailleurs toxique de G-6-P.

Il convient de noter que la PEP est un point de dérivation dans des conditions aérobies et anaérobies. La carboxylation de la 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 exécuter à la fois le cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) et le shunt du glyoxylate de manière aérobie. Pendant la fermentation, ce même oxaloacétate est un intermédiaire dans la voie réductrice (régénération du NAD) du succinate. De plus, l’oxaloacétate dérivé du PEP est utilisé (via une partie du cycle TCA) pour la biosynthèse de l’acide glutamique même en conditions anaérobies.

La dernière réaction est une phosphorylation de l’ADP en ATP au niveau du substrat au détriment du PEP pour donner du pyruvate. Les deux isoenzymes de la pyruvate kinase (gènes pykA et pykF) sont activées par des phosphates de sucre et le produit du gène pykF montre une coopérativité positive vis-à-vis du substrat PEP, tendant à nouveau à empêcher l’accumulation de cet intermédiaire phosphorylé et empêchant ainsi la génération de plus de G-6-P via le mécanisme de transport du PEP-dépendant du PtsG.

À la fin de la voie EMP, 1 mole de glucose est convertie en 2 mole de pyruvate, qui peut être utilisé pour un catabolisme ultérieur ou pour la biosynthèse. Il donne également 2 moles d’ATP et 2 moles de NADH (qui doivent être réoxydées pour que la voie continue à fonctionner). Étant donné que 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 réagissent rapidement aux variations de l’offre et de la demande par inhibition de la rétroaction et activation du substrat des activités enzymatiques. Ils réagissent également (plus lentement) par la régulation transcriptionnelle de l’expression des gènes en réponse à des régulateurs mondiaux 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, il sert également de ligne principale centrale dans laquelle 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 alimentent la voie EMP.