Phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate

Cette réaction nécessite un cation Mg²⁺ comme cofacteur et consomme une molécule d'ATP pour phosphoryler chaque molécule de glucose. Elle contribue à maintenir la concentration en glucose relativement basse dans le cytoplasme afin de faciliter l'entrée de molécules de glucose supplémentaires. De surcroît, le glucose-6-phosphate ne peut plus quitter la cellule, car la membrane plasmique n'a pas de transporteur pour cette molécule.

	+ ATP  →  ADP + H+ +
Glucose		Glucose-6-phosphate
Hexokinase – EC 2.7.1.1

Synthèse du α-D-Glu-6-P.

Cette réaction est irréversible. Elle est catalysée par une kinase, soit une hexokinase, non spécifique du glucose qui, chez les mammifères, se trouve le plus souvent dans le muscle, soit une glucokinase, spécifique du glucose. Ces deux enzymes ont des constantes de Michaelis (K_M) différentes avec pour valeurs respectives 0,1 mM et 10 mM en sachant que la K_M est inversement proportionnelle a l'affinité de l'enzyme pour ses substrats. Ces deux enzymes sont Mg²⁺ dépendantes. Chez l'homme, la glucokinase est localisée dans le foie et dans les cellules pancréatiques. En effet, cette dernière est parfaitement adaptée à la fonction de stockage du foie (elle fonctionne principalement lors d'afflux de glucose importants, après un repas par exemple, et contribue ainsi à la régulation de la glycémie). Un dysfonctionnement de cette enzyme est donc responsable de certains types de diabète (diabètes MODY qui, pour 50 % des cas, sont dus à une mutation de la glucokinase).

La phosphorylation du glucose n'est pas spécifique de la glycolyse. Cette étape sert également de point de départ dans la voie des pentoses phosphates ou pour la glycogénogenèse.

Remarque : toutes les réactions qui ont une variation d'enthalpie libre élevée sont irréversibles, et comme cette phosphorylation est énergétiquement très favorisée, la réaction est irréversible. C'est pourquoi ces enzymes sont très régulées afin d'éviter l'emballement du système, à l'instar des deux autres étapes irréversibles de la glycolyse. (Phosphofructokinase-1, Pyruvate kinase). L'hexokinase est notamment inhibée par son propre produit, le glucose-6-phosphate (rétrocontrôle négatif), et son expression génique est induite par l'insuline. La glucokinase n'est quant à elle pas inhibée par le glucose-6-phosphate, mais son expression génique est induite par l'insuline.

Isomérisation en fructose-6-phosphate

Le α-D-glucose-6-phosphate produit au cours de la glycolyse est isomérisé en β-D-fructose-6-phosphate par la glucose-6-phosphate isomérase (GPI) ou phosphohexose isomérase. Cette réaction est réversible, et demeure orientée vers la droite en raison de la concentration en Fru-6-P, maintenue assez faible en raison de sa consommation immédiate par l'étape suivante de la glycolyse.

	${\displaystyle \rightleftharpoons }$
Glucose-6-phosphate		Fructose-6-phosphate
Glucose-6-phosphate isomérase – EC 5.3.1.9

Phosphorylation en fructose-1,6-bisphosphate

Le β-D-fructose-6-phosphate (Fru-6-P) produit au cours de la réaction précédente est phosphorylé en β-D-fructose-1,6-bisphosphate (Fru-1,6-BP) par la phosphofructokinase-1 (PFK-1) à partir d'une molécule d'ATP, convertie en ADP. Cette consommation d'énergie rend cette étape irréversible, et constitue un point de régulation majeur de la vitesse de la glycolyse. Un cation Mg²⁺ intervient comme cofacteur.

	+ ATP  →  ADP + H+ +
Fructose-6-phosphate		Fructose-1,6-bisphosphate
Phosphofructokinase-1 – EC 2.7.1.11

Formation du β-D-fructose-1,6-bisphosphate.

Il existe, essentiellement chez des organismes autres que les animaux, des enzymes différentes capables de phosphoryler le fructose-6-phosphate à partir de pyrophosphate inorganique au lieu d'ATP. C'est le cas de la diphosphate fructose-6-phosphate 1-phosphotransférase (PFP), qu'on trouve chez de nombreuses plantes, certaines bactéries, des archées et des protistes. De rares archées possèdent une variante de la phosphofructokinase utilisant, cette fois, de l'ADP et non de l'ATP.

Cette réaction, catalysée par une phosphofructokinase (PFK) est irréversible et Mg²⁺ dépendante. Cette enzyme catalyse la première étape qui soit spécifique de la glycolyse. Elle est très fortement régulée de manière allostérique par l'ATP_libre (l'ATP_libre est la forme de l'ATP non complexé au magnésium), qui est le produit final « utile » de la glycolyse. Plus la concentration en ATP_libre est importante, plus cette réaction est lente et, inversement, plus la concentration en ATP_libre est faible, plus l'enzyme est active. Il s'agit d'un système d'autocontrôle de la glycolyse. Plusieurs modèles mathématiques de la glycolyse ont été mis au point et montrent que cette étape est la plus importante de celles qui contrôlent le flux de la glycolyse.

L'inhibition par l'ATP est réversible par l'AMP, ce qui permet de garder un rapport ATP/AMP constant.

Mais elle est surtout régulée par le fructose-2,6-bisphosphate : en effet, la production de fructose-2,6-bisphosphate à partir du fructose-6-phosphate a pour seule fonction de mettre en évidence une saturation de la voie en fructose-6-phosphate (« trop plein »), car le fructose-2,6-bisphosphate n'a pas de devenir métabolique. Par allostérie, le fructose-2,6-bisphosphate active donc la phosphofructokinase-1 afin de stimuler la consommation de fructose-6-phosphate et ainsi empêcher sa propre formation.

Clivage en glycéraldéhyde-3-phosphate et dihydroxyacétone phosphate

Le β-D-fructose-1,6-bisphosphate est clivé par une lyase, la fructose-bisphosphate aldolase, en D-glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et dihydroxyacétone phosphate (DHAP).

	${\displaystyle \rightleftharpoons }$		+
Fructose-1,6-bisphosphate		G3P		DHAP
Fructose-bisphosphate aldolase – EC 4.1.2.13

Clivage du Fru-1,6-BP par l'aldolase.

Il existe deux classes d'aldolases susceptibles de cliver le fructose-1,6-bisphosphate : la classe I chez les animaux et les plantes, et la classe II chez les mycètes et les bactéries ; ces deux classes d'enzymes utilisent des mécanismes différents pour cliver ce cétose.

Isomérisation de la dihydroxyacétone phosphate en glycéraldéhyde-3-phosphate

La dihydroxyacétone phosphate est isomérisée en D-glycéraldéhyde-3-phosphate par la triose-phosphate isomérase. Cette réaction est peu favorisée, elle a lieu à raison de 5 % dans le sens « dihydroxyacétonephosphate → glycéraldéhyde-3-phosphate » et à 95 % dans l'autre sens.

	${\displaystyle \rightleftharpoons }$
DHAP		G3P
Triose-phosphate isomérase – EC 5.3.1.1

Bien qu'à l'équilibre la forme cétose (DHAP) soit beaucoup plus abondante que la forme aldose (G3P), la transformation DHAP → G3P est rapide car le composé G3P est éliminé en permanence par les réactions suivantes de la glycolyse^[4].

Ainsi, chaque molécule de β-D-fructose-1,6-bisphosphate donne en fin de compte deux molécules de D-glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P).

Phosphorylation en acide 1,3-bisphosphoglycérique

Le D-glycéraldéhyde-3-phosphate est phosphorylé en 1,3-bisphospho-D-glycérate (1,3-BPG) par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase avec réduction concomitante d'une molécule de NAD⁺ en NADH + H⁺ ; c'est la seule étape de la glycolyse où est formé du pouvoir réducteur, sous forme de NADH + H⁺. Cette réaction est équilibrée du point de vue de la charge électrique et du nombre d'atomes d'hydrogène par le fait que le phosphate inorganique (Pi) existe, dans le milieu cytoplasmique, sous forme d'ion hydrogénophosphate HPO₄²⁻.

	+ NAD+ + Pi   ${\displaystyle \rightleftharpoons }$   NADH + H+ +
G3P		1,3-BPG
Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase – EC 1.2.1.12

Cette réaction d'oxydoréduction, réversible et catalysée par une oxydo-réductase, conduit à la formation d'une liaison acylthioester à haut potentiel de transfert. Cette étape constitue le début de la seconde partie de la glycolyse. L'énergie contenue dans les liaisons à haut potentiel de transfert va être utilisée pour la synthèse de l'ATP. Les coenzymes sont réduites (gain d'électrons).

Conversion en 3-phosphoglycérate avec récupération d'ATP

Le groupe phosphate à haut potentiel de transfert du 1,3-bisphospho-D-glycérate (1,3-BPG) permet de phosphoryler une molécule d'ADP en ATP pour former le 3-phospho-D-glycérate (3PG) sous l'action de la phosphoglycérate kinase ; c'est la première étape de la glycolyse où de l'énergie est récupérée sous forme réutilisable, emmagasinée dans l'ATP.

	+ ADP   ${\displaystyle \rightleftharpoons }$   ATP +
1,3-BPG		3PG
Phosphoglycérate kinase – EC 2.7.2.3

Isomérisation en 2-phosphoglycérate

Le 3-phospho-D-glycérate est isomérisé en 2-phospho-D-glycérate (2PG) par la phosphoglycérate mutase.

	${\displaystyle \rightleftharpoons }$
3PG		2PG
Phosphoglycérate mutase – EC 5.4.2.1

Conversion en phosphoénolpyruvate

Le 2-phospho-D-glycérate (2PG) est déshydraté par une lyase, l’énolase (ou phosphopyruvate hydratase), pour former le phosphoénolpyruvate (PEP). Un cation Mg²⁺ est requis comme catalyseur de la réaction de déshydratation, tandis qu'un second Mg²⁺ intervient avec un rôle « conformationnel » en coordination avec le groupe carboxyle du 2-phospho-D-glycérate.

	${\displaystyle \rightleftharpoons }$   H2O +
2PG		PEP
Énolase (phosphopyruvate hydratase) – EC 4.2.1.11

Conversion en pyruvate avec récupération d'ATP

Le groupe phosphate à haut potentiel de transfert (ΔG°' = −61,9 kJ mol⁻¹) du phosphoénolpyruvate permet la phosphorylation d'une molécule d'ADP en ATP par la pyruvate kinase. Un cation Mg²⁺ est nécessaire à cette réaction comme cofacteur.

	+ ADP + H+  →  ATP +
PEP		Pyruvate
Pyruvate kinase – EC 2.7.1.40

Au cours de cette réaction, le phosphoénolpyruvate est en fait converti en énolpyruvate de façon irréversible par la pyruvate kinase^[5], l'énolpyruvate donnant ensuite du pyruvate de façon réversible par tautomérie.