Le métabolisme cellulaire    La glycolyse

Informations générales

La phosphorylation du glucose est la première étape de la glycolyse. Cette réaction, irréversible, a pour but le transfert d'un groupement phosphoryle sur le glucose à partir d'ATP, aboutissant à la formation de glucose-6-phosphate (G6P). Elle est catalysée par une kinase pouvant être de deux natures selon le type cellulaire; l'hexokinase pour  les cellules musculaires principalement et la glucokinase pour les cellules du foie ainsi que les cellules b du pancréas. Ces enzymes ne convergent pas vers la même voie métabolique. Dans tous les cas, l'enzyme intervenant est Mg2+ dépendante, celui-ci complexant l'ATP. En effet, l'ATP non complexé est un puissant inhibiteur compétitif.

Hexokinase vs Glucokinase

Hexokinase

Source : http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1IG8   Code PDB : 1IG8

Légende : Structure cristalline de l'hexokinase PII de Saccharomyces cerevisae. Le site actif présente une molécule de glucose (en rouge et gris) ainsi que trois groupements SO42-  (en rouge et jaune).

L'hexokinase est une enzyme relativement peu spécifique que l'on trouve dans toutes les cellules et qui catalyse la phosphorylation d'hexoses comme le D-glucose, le D-mannose et le D-fructose. Elle déclenche la glycolyse.

Caractéristiques :

  • L'affinité de l'hexokinase vis-à-vis du glucose se traduit par une constante de Michaelis très basse (Km = 0,1 mM). Notons que cette constante est inversement proportionnelle à l'affinité qu'a l'enzyme pour le substrat.

  • La vitesse maximale est relativement faible.

  • L'enzyme est régulée via une rétro inhibition par le glucose-6-phosphate, produit de la réaction, présent en forte concentration.

Glucokinase

Source : http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1V4T   Code PDB : 1V4T

Légende : Structure cristalline de la glucokinase de l'Homme. Le site actif présente deux groupements SO42- (en rouge et jaune).

Les cellules hépatiques synthétisent de la glucokinase qui catalyse spécifiquement la phosphorylation du glucose. Elle est impliquée dans le contrôle de la glycémie.  Sa mutation est responsable d'un type de diabète: le diabète MODY.

Caractéristiques :

  • L'affinité de la glucokinase pour le glucose est faible et se traduit par une constante de Michaelis assez élevée (10 mM).

  • La vitesse maximum de fonctionnement est plus élevée que celle observée pour l'hexokinase.

  • Aucune régulation allostérique ou covalente n'est à noter. Il n'y a donc pas d'inhibition directe. Cependant, l'action du glucagon et de l'insuline qui régulent la glycémie, influenceront le fonctionnement de l'enzyme.

Légende : Variation de l'activité de l'hexokinase et de la glucokinase dans la réaction

de phosphorylation du glucose en fonction de l'augmentation de la glycémie.

 

Mécanisme

Nous n'aborderons ici que le mécanisme orchestré par l'hexokinase. La présentation du mécanisme se déroulera en trois étapes à savoir:

  1. La stabilisation du glucose au sein du site actif.

  2. Le reploiement de l'hexokinase autour du glucose.

  3. La réaction à proprement parler.

Stabilisation du glucose :

Une puissante stabilisation du glucose, dans le site actif, est engendrée par pas moins de 9 liens hydrogènes (~14kJ/mol). Les acides aminées intervenant dans la formation de ces liens sont : la Thréonine 168 (Thr), la Lysine 169 (Lys), l'Asparagine 204 (Asn), l'Aspartate 205 (Asp) et le Glutamate 256 (Glu). L'Aspartate 205 est le seul acide aminé de l'enzyme impliqué dans le mécanisme réactionnel.

Légende : Représentation schématique de la stabilisation du glucose

la poche catalytique de l'hexokinase.

Reploiement de l'hexokinase :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une importante question de mécanisme se pose : Pourquoi l'hexokinase catalyse-t-elle le transfert d'un groupement phosphoryle de l'ATP au glucose pour donner du G6P et non à l'eau pour donner de l'ADP + Pi ?

La molécule d'eau est certainement bien assez petite pour pouvoir s'insérer dans le site enzymatique impliqué dans la liaison du groupement phosphoryle. De plus, le transfert du groupement phosphoryle de l'ATP à l'eau est plus exergonique que le transfert au glucose.
Malgré cela, l'hexokinase catalyse le transfert du groupement phosphoryle sur le glucose à une vitesse 40.000 fois supérieure à celle du transfert du groupement phosphoryle sur l'eau.
Cela s'explique par le fait que le glucose induit un changement conformationnel important de l'hexokinase. Les deux lobes entre lesquels le site actif forme une sorte de poche, pivote l'un vers l'autre, engloutissant ainsi le glucose. Ce mouvement amène l'ATP tout près du groupement hydoxyle porté par le C6 du glucose tout en chassant l'eau du site actif.

Remarque : Si le groupement catalytique et les réactifs se trouvaient en bonne position pour qu'il y ait réaction, alors que l'enzyme est en conformation ouverte, l'hydrolyse de l'ATP serait certainement la réaction prédominante.

                  

 

Réaction enzymatique :

 

       

Légende : Mécanisme réactionnel de l'enzyme.

L'hexokinase présente un mécanisme "Bi Bi aléatoire". Les enzymes catalysant des réactions entre deux substrats et devant passer par les formations de deux complexes (enzymes-substrat A et enzyme-substrat A-substrat B), suivent un mécanisme nommé "Bi Bi". Si l'ordre de formation de complexe n'est pas imposé, nous parlerons alors de mécanisme "Bi Bi aléatoire".

L'ATP est initialement complexé par du Mg2+, intervenant dans la stabilisation de l'ensemble. En effet, les groupements phosphates porté par l'ATP présentent des charges négatives importantes qui seront "masquées" par cet ion métallique. Ce dernier favorisera le rapprochement du groupement hydroxyle portée en  C6 du glucose.

Le moteur de la réaction est le résidu Aspartate 205 qui sert de base pour déprotoner l'hydroxyle cité précédemment. Le doublet d'électrons de l'oxygène ainsi libéré, réalise une attaque nucléophile sur le phosphore du groupement phosphoryle g de l'ATP. Cela engendre la formation d'une liaison covalente entre le glucose et le groupement phosphoryle avec libération d'ADP et de G6P.

Sources

Le métabolisme cellulaire    La glycolyse