Son objectif est de fournir de l’énergie à la cellule partout où cela est nécessaire. La glycolyse forme du pyruvate à partir du glucose qui peut ensuite être détérioré anaérobiquement pour former du lactate ou de l’éthanol par fermentation. En 1870, Louis Pasteur découvre le fonctionnement des levures. Il a isolé une levure et l’a ajoutée à un vin qui ne fermentait pas et le vin a fermenté. À cette époque, Pasteur croyait au vitalisme, alors il n’a pas cherché plus loin. Plus tard, les frères Buckner préparaient des extraits de levure. Comme ce n’était pas facile à conserver, ils ont mis les extraits en sucre et ils ont fermenté. La levure ne doit donc pas être complète (ou vivante) pour être efficace. Les extraits étaient composés de deux molécules: une grande enzyme qui devient inefficace lorsque la température augmente et une petite molécule qui était inefficace seule. En fait, la petite molécule est une coenzyme de la grande enzyme et la fermentation n’est possible que lorsque les deux molécules sont ensemble. Le processus complet de la fermentation du glucose a été découvert en 1925 par Embdem et Meyerhof.
La première étape est la phosphorylation du glucose. Le phosphate est ajouté sur 6 ‘. Pour cette réaction, comme pour les autres de la glycolyse, une enzyme (l’hexokinase / glucokinase) permet de former l’ester et de cliver l’anhydride de l’ATP.
La deuxième réaction implique la transformation d’un pyranose en un furanose.
La troisième étape dépend des besoins de la cellule en énergie.
Lorsque la cellule a absolument besoin d’énergie, elle consomme de l’ADP et forme AMP. Si la concentration d’AMP dans la cellule augmente, un signal est envoyé à la phosphofructokinase pour augmenter la vitesse de la réaction. Au contraire, si la cellule est pleine d’ATP, il n’y a pas besoin d’en faire plus et la réaction est ralentie.
Dans l’étape suivante, le fructose est clivé en deux chaînes de 3 carbones, un aldose et une cétone qui peuvent être transformées l’une en l’autre par la triose phosphate isomérase.
Comme la réaction 5 est réversible, si le C1 du glycéraldéhyde était marqué, on trouverait le fructose marqué en 3 ‘ou en 4’.
Les prochaines étapes impliquent des chaînes de 3 carbones. D’un glucose, ils se produisent ainsi deux fois.
L’enzyme de l’étape 6 est la GAPDH (glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) et le NAD (nicotinamide adénine dinucléotide) est son cofacteur et doit être dans le site actif de l’enzyme pour que cela fonctionne. NAD+ est sa forme oxydée et NADH+H+ sa forme réduite .
La présence de la forme réduite peut être confirmée par un nouveau pic d’absorbance à 340 nm. La réduction génère de l’énergie pour permettre la formation d’un phosphoanhydride, ce qui est une liaison haute en énergie. Il va donc générer beaucoup d’énergie lorsqu’il est clivé.
La septième étape utilise l’énergie de cette liaison pour régénérer un ATP.
La huitième réaction déplace un phosphate. Il est fait par une enzyme appelée mutase.
La neuvième étape est une réaction intramoléculaire d’oxydation. C2 est oxydé tandis que C3 est réduit. Nous avons maintenant un phosphoenol dont le clivage restaure un ATP dans la réaction suivante de tautomérisation.
Au total, deux ATP ont été utilisés pendant la glycolyse pour former les trioses. Ces étapes utilisent ainsi la réserve d’énergie de la cellule. Cependant, deux réactions forment un ATP par triose. Comme il y a deux trioses par le glucose et que l’isomérase peut transformer la cétone en glycéraldéhyde, nous formons 4 ATP à partir des trioses. Pendant la glycolyse complète, il se forme ainsi 2 ATP utilisables par la cellule. Pour les cellules anaérobies, c’est le seul moyen de produire de l’ATP.
Le NAD+ doit être régénéré par fermentation.
Fermentation lactique :
Le pyruvate, produit final de la glycolyse, est utilisé pour oxyder le NADH + H + et former le lactate qui est ensuite libéré au milieu.
Fermentation alcoolique :
Ce procédé utilise également le pyruvate mais est réalisé en deux étapes. Une première qui implique le rejet du CO2 et la seconde qui oxyde le NADH + H + et libère de l’éthanol.
Commentaires sur la glycolyse :
- En cas de manque de NAD+, ou une trop grande quantité de glucose, plus de NAD+ peut être formé à partir du triose « inutilisé », le phosphate de dihydroxyacétone.
La réaction est en équilibre et n’est faite qu’en cas de besoin. Si le triose était essentiellement utilisé pour cela, tout le processus de la glycolyse serait inutile: il consommerait 2 ATP pour former 2 ATP.
Couplage des réactions:
Certaines étapes de la glycolyse ont un ∆G0’ positif. C’est le cas des étapes qui forment des liaisons riches. De cette manière, l’étape 6 est couplée à l’étape 7 qui clive la liaison riche pour former un ATP.
Si l’on considère les deux réactions à la fois, c’est-à-dire une réaction d’oxydation de l’aldéhyde en un acide carboxylique, on trouve un ∆G0’=-10kcal (7.3kcal are equivalent to one ATP). La réaction en deux étapes est favorisée car nous pouvons stocker l’énergie sous forme d’ATP.
La même chose est vraie pour les étapes 8, 9, 10.
Les deux premières étapes coûtent de l’énergie mais la troisième est très favorable. Au total, nous avons un ∆G0’=-6kcal/mol and the formation of an ATP.
- Uncoupling agent
There are some molecules that can block the formation of the ATP. It is for instance the case of the arsenate ion which is a poison for us. In the step 6 and 7, the ion takes the place of an inorganic phosphate.
We still obtain the product of the step 7 but without the formation of ATP.
- energetic balance
The combustion of one glucose is an exothermic reaction:
The combustion of the products of the glycolysis (two pyruvates) gives
It is about 7% of the energy of one glucose. To that we can add the energy of the phosphoester bond of the 2ATP: 2×7.3kcal/mol.
It is still a very small quantity of energy that was recovered from the glucose. This method was used when there was almost no oxygen available and is used in anaerobic environments.
- Other monosaccharides can make the glycolysis after being transformed by enzymes into glucose or one intermediate of the glycolysis.