Calcul du Bilan de la Glycolyse

Comprendre la Glycolyse

La glycolyse est une voie métabolique fondamentale présente chez la quasi-totalité des organismes vivants. Elle se déroule dans le cytosol et consiste en une série de réactions enzymatiques qui convertissent une molécule de glucose (un sucre à 6 carbones) en deux molécules de pyruvate (un composé à 3 carbones). Ce processus s'accompagne de la production nette d'ATP (la "monnaie énergétique" de la cellule) et de NADH (un transporteur d'électrons réduit).

On distingue classiquement deux phases :

Phase d'investissement énergétique : Consommation d'ATP pour "activer" le glucose.
Phase de retour sur investissement : Production d'ATP (par phosphorylation au niveau du substrat) et de NADH.

Données

On considère la dégradation complète d'une molécule de glucose par la voie glycolytique classique (voie d'Embden-Meyerhof-Parnas) jusqu'au pyruvate.

Réactions clés consommant ou produisant de l'ATP/NADH :

Réaction 1 (Hexokinase/Glucokinase) : Glucose + ATP \(\rightarrow\) Glucose-6-phosphate + ADP
Réaction 3 (Phosphofructokinase-1, PFK-1) : Fructose-6-phosphate + ATP \(\rightarrow\) Fructose-1,6-bisphosphate + ADP
Réaction 6 (Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase) : Glycéraldéhyde-3-phosphate + NAD\(^+\) + Pi \(\rightarrow\) 1,3-Bisphosphoglycérate + NADH + H\(^+\) (x2 par glucose)
Réaction 7 (Phosphoglycérate kinase) : 1,3-Bisphosphoglycérate + ADP \(\rightarrow\) 3-Phosphoglycérate + ATP (x2 par glucose)
Réaction 10 (Pyruvate kinase) : Phosphoénolpyruvate + ADP \(\rightarrow\) Pyruvate + ATP (x2 par glucose)

Molécules :

Glucose : C\(_6\)H\(_{12}\)O\(_6\)
Pyruvate : C\(_3\)H\(_4\)O\(_3\)
ATP : Adénosine triphosphate
ADP : Adénosine diphosphate
NAD\(^+\) : Nicotinamide adénine dinucléotide (forme oxydée)
NADH : Nicotinamide adénine dinucléotide (forme réduite)
Pi : Phosphate inorganique

Questions

Écrire l'équation bilan globale de la glycolyse, de la dégradation d'une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate.
Calculer le nombre total de molécules d'ATP consommées durant la phase d'investissement pour une molécule de glucose.
Calculer le nombre total de molécules d'ATP produites durant la phase de retour sur investissement pour une molécule de glucose.
Calculer le bilan net en ATP pour une molécule de glucose dégradée en pyruvate.
Calculer le nombre total de molécules de NADH produites pour une molécule de glucose dégradée en pyruvate.
Identifier les trois réactions irréversibles de la glycolyse, qui constituent les principaux points de contrôle de cette voie métabolique.

Correction : Calcul du Bilan de la Glycolyse

Question 1 : Équation Bilan Globale de la Glycolyse

Principe :

L'équation bilan résume les substrats consommés et les produits formés lors de la conversion d'une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate.

Réactions individuelles (simplifié) :

Glucose \(\rightarrow\) 2 Pyruvate
Consommation : 2 ATP, 2 NAD\(^+\), 2 Pi
Production : 4 ATP, 2 NADH, 2 H\(^+\), 2 H\(_2\)O

On combine les réactifs et les produits en tenant compte de la stœchiométrie.

Équation Bilan :

En combinant les entrées et sorties :

\text{Glucose} + 2 \, \text{ADP} + 2 \, \text{Pi} + 2 \, \text{NAD}^+ \longrightarrow 2 \, \text{Pyruvate} + 2 \, \text{ATP} + 2 \, \text{NADH} + 2 \, \text{H}^+ + 2 \, \text{H}_2\text{O}

(Note : Le bilan net d'ATP est de 2 ATP, car 2 ATP sont consommés et 4 ATP sont produits).

Résultat Question 1 : L'équation bilan globale de la glycolyse est : Glucose + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD\(^+\) \(\rightarrow\) 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H\(^+\) + 2 H\(_2\)O.

Question 2 : ATP Consommés (Phase d'Investissement)

Principe :

Identifier les réactions de la première phase qui utilisent l'ATP comme substrat.

Réactions concernées :

Réaction 1 (Hexokinase) : 1 ATP consommé
Réaction 3 (PFK-1) : 1 ATP consommé

Calcul :

\text{ATP consommés} = 1 \, (\text{Réaction 1}) + 1 \, (\text{Réaction 3}) \] \[ \text{ATP consommés} = 2 \, \text{ATP}

Résultat Question 2 : Il y a **2 molécules d'ATP consommées** par molécule de glucose durant la phase d'investissement.

Question 3 : ATP Produits (Phase de Retour sur Investissement)

Principe :

Identifier les réactions de la seconde phase qui produisent de l'ATP par phosphorylation au niveau du substrat. Il faut tenir compte du fait que chaque molécule de glucose donne deux molécules de triose-phosphate, donc ces réactions se produisent deux fois.

Réactions concernées :

Réaction 7 (Phosphoglycérate kinase) : 1 ATP produit (x2 par glucose)
Réaction 10 (Pyruvate kinase) : 1 ATP produit (x2 par glucose)

Calcul :

\text{ATP produits} = [1 \, (\text{Réaction 7}) + 1 \, (\text{Réaction 10})] \times 2 \] \[ \text{ATP produits} = (1 + 1) \times 2 \] \[ \text{ATP produits} = 4 \, \text{ATP}

Résultat Question 3 : Il y a **4 molécules d'ATP produites** par molécule de glucose durant la phase de retour sur investissement.

Question 4 : Bilan Net en ATP

Principe :

Le bilan net est la différence entre l'ATP produit et l'ATP consommé.

Formule :

\text{Bilan Net ATP} = \text{ATP produits} - \text{ATP consommés}

Calcul :

\text{Bilan Net ATP} = 4 - 2 \] \[ \text{Bilan Net ATP} = 2 \, \text{ATP}

Résultat Question 4 : Le bilan net de la glycolyse pour une molécule de glucose est de **+2 molécules d'ATP**.

Question 5 : Bilan en NADH

Principe :

Identifier la réaction qui produit du NADH (réduction du NAD\(^+\)). Tenir compte de la stœchiométrie (x2 par glucose).

Réaction concernée :

Réaction 6 (Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase) : 1 NADH produit (x2 par glucose)

Calcul :

\text{NADH produits} = 1 \times 2 \] \[ \text{NADH produits} = 2 \, \text{NADH}

Résultat Question 5 : Il y a **2 molécules de NADH produites** par molécule de glucose durant la glycolyse.

Question 6 : Réactions Irréversibles (Contrôle)

Principe :

Les réactions irréversibles de la glycolyse sont celles qui ont une variation d'énergie libre de Gibbs (\(\Delta G\)) fortement négative dans les conditions cellulaires. Elles sont souvent catalysées par des kinases et constituent les points de régulation majeurs de la voie métabolique.

Identification :

Les trois réactions irréversibles et régulées de la glycolyse sont :

Réaction 1 : Hexokinase / Glucokinase
Glucose + ATP \(\rightarrow\) Glucose-6-phosphate + ADP
Réaction 3 : Phosphofructokinase-1 (PFK-1)
Fructose-6-phosphate + ATP \(\rightarrow\) Fructose-1,6-bisphosphate + ADP
(Étape d'engagement majeure de la glycolyse)
Réaction 10 : Pyruvate Kinase
Phosphoénolpyruvate + ADP \(\rightarrow\) Pyruvate + ATP

Résultat Question 6 : Les trois réactions irréversibles et principaux points de contrôle de la glycolyse sont catalysées par l'Hexokinase (ou Glucokinase), la Phosphofructokinase-1 (PFK-1), et la Pyruvate Kinase.