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Glucose 6-phosphate déshydrogénase : mécanisme réactionnel

Glucose 6-phosphate déshydrogénase : mécanisme réactionnel



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J'ai recherché sur Internet le mécanisme de réaction de la G6PD mais je ne l'ai pas trouvé. Je demande donc si quelqu'un ici connaît son mécanisme et s'il pourrait recommander des sources donnant des informations détaillées sur les mécanismes enzymatiques en général.

Je vous en serais reconnaissant car il semble difficile de trouver des mécanismes enzymatiques sur Internet.


Clause de non-responsabilité

Je ne suis pas un enzymologue et cette réponse est basée sur des travaux publiés en 1998, et le dernier article que j'ai consulté date de 2000. Par conséquent, je ne peux pas exclure la possibilité que des travaux plus récents aient modifié le modèle présenté ici.

Approches générales

L'approche générale pour élucider le mécanisme d'action des enzymes a été la suivante.

Historiquement, et avant qu'une structure soit (ou était) disponible :

  1. Des hypothèses de types de mécanismes possibles seraient faites sur la base des mécanismes connus des réactions chimiques non enzymatiques.
  2. Des expériences avec des inhibiteurs pourraient suggérer quelle classe de résidus de l'enzyme pourrait participer à la réaction.
  3. Des expériences seraient effectuées pour obtenir des preuves indirectes des résidus impliqués, par ex. en examinant l'effet du pH par rapport au pKa.

Plus récemment, avec une détermination de structure moins difficile et plus courante :

  1. La structure serait déterminée et une tentative d'identification du site actif serait effectuée sur la base de la position d'un pseudo-substrat ou d'un inhibiteur lié.
  2. Les résidus à proximité du substrat qui pourraient participer à la réaction seraient ainsi identifiés.
  3. Une hypothèse du rôle de ces résidus serait faite par rapport à la chimie connue (comme dans l'historique 2, ci-dessus).
  4. Des expériences seraient menées pour tester la participation des résidus - souvent en les modifiant - et leur rôle proposé.

Mécanisme proposé pour la glucose 6-phosphate déshydrogénase

La structure de la glucose 6-phosphate déshydrogénase (G6PD) a été publiée en 1994 par Rowland et al. dans Structure 2:1073-1087. Pour tester leur hypothèse du mécanisme, Cosgrove et ses collaborateurs ont réalisé une mutagenèse dirigée sur G6PD et déterminé la structure de la protéine mutée. Sur la base de cela, ils ont publié un article dans Biochemistry 1998 37:2759-67 dans lequel ils ont proposé le mécanisme de réaction illustré ci-dessous.

L'atome Nδ1 de His-240 est lié à l'hydrogène de l'atome Oδ1 d'Asp-177, formant une dyade catalytique. Le Nε2 de His-240 est sur le point d'agir comme une base générale en extrayant un proton du C1-OH de G6P, permettant le transfert de l'hydrure C1 à la position C4 du cycle nicotinamide du NAD(P)+.

Ils résument cela comme suit :

« Les résultats soutiennent un mécanisme dans lequel His-240 agit comme la base générale qui extrait le proton du groupe C1-hydroxyle du glucose 6-phosphate, et le groupe carboxylate d'Asp-177 stabilise la charge positive qui se forme sur His-240. dans l'état de transition. Les résultats confirment également le rôle postulé de His-178 dans la liaison de la fraction phosphate du glucose 6-phosphate.

Approche de lecture et de recherche suggérée

Le texte classique sur le mécanisme enzymatique est celui d'Alan Fersht Structure et mécanisme enzymatiques publié en 1984. Ceci est clairement basé sur une gamme limitée d'enzymes, donc son importance n'est pas de trouver le mécanisme d'une enzyme particulière, mais de comprendre les principes impliqués. (Vous pouvez vous procurer une copie d'occasion à très bas prix). Fersht a un livre plus récent (2017) dans le même domaine - Structure et mécanisme en science des protéines mais c'est beaucoup plus cher. Vous pouvez voir le contenu sur Amazon.

D'autres suggestions sont les bienvenues sous forme de commentaires.

Mon approche pour chercher une réponse ici mérite d'être mentionnée, car la question indique que l'affiche a échoué dans sa tentative. J'ai d'abord fait une recherche sur Google « mécanisme de réaction, glucose 6-phosphate déshydrogénase ». Ce n'était pas très utile, mais m'a alerté sur le fait que Google privilégiait les pages liées au déficit en G6PD, une condition clinique sur laquelle beaucoup avait été écrit. Pour éviter cela, j'ai décidé de me concentrer spécifiquement sur structure, en supposant que certains des documents proposeraient des mécanismes. J'ai essayé trois des quatre approches suivantes (en attendant l'exécution d'un programme informatique).

  1. Google recherche sur « glucose 6-phosphate déshydrogénase, structure ». Cela n'a pas semblé me ​​donner un coup direct, mais a fait apparaître les trois autres sources que j'ai essayées.
  2. Les Wikipédia entrée sur la glucose 6-phosphate déshydrogénase. Au milieu de la page se trouve une section sur la structure avec un schéma du site de liaison du substrat, donc je savais que j'étais sur la bonne voie. Les références sur cette page n'étaient pas très utiles, mais le schéma indiquait que la structure était PDB 2BHL.
  3. La recherche Google a également fait apparaître un Protopedia page, que j'ai recherchée directement. Au début, j'ai été déçu par le manque d'informations autres que la structure, mais la troisième des trois références était un article de Cosgrove de 2000 qui contenait les mots « diad catalytique » dans son titre. J'y suis allé et cela m'a ramené à leur article de 1998.
  4. j'aurais pu essayer le Banque de données sur les protéines et recherché 2BHL (ou juste pour l'enzyme). 2BHL m'aurait conduit à un article ultérieur dans Acta Crystallographica, qui mentionne l'article 2000 de Cosgrove dans son introduction.

Test de glycémie aux points de service en soins intensifs

8.2 Méthode GDH

La GDH catalyse l'oxydation du glucose en présence de cofacteurs comme le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD), le FAD ou la pyrroloquinoléine quinone (PQQ). La GDH utilisant le NAD comme cofacteur produit du NADH qui peut être mesuré par ampérométrie, coulométrie ou par des méthodes chromogènes. L'utilisation de médiateurs avec FAD et PQQ permet l'utilisation de bandes de détection. La réaction GDH-PQQ implique l'oxydation du glucose par réduction de PQQ-GDH, puis le cofacteur PQQ réduit est oxydé avec du ferricyanure ou d'autres médiateurs redox. L'oxydation de ce médiateur réduit à l'électrode donne un signal de courant directement proportionnel à la concentration de glucose [62] . Le GHD-NAD et le GDH-FAD ne présentent pas d'interférence due à une réaction croisée avec d'autres sucres, alors que le GDH-PQQ réagit avec d'autres sucres comme le maltose, le galactose, le xylose, etc.

Méthode ampérométrique ou coulométrique:


Voie des pentoses phosphates : réactions et signification

Faisons une étude approfondie de la voie des pentoses phosphates. Après avoir lu cet article, vous en apprendrez plus sur 1. Réactions de la voie des pentoses phosphates et 2. Importance de la voie Pentose-Phosphate.

Voie des pentoses phosphates (voie Warburg-Dicken’s):

Il implique l'oxydation du glucose-6-phosphate en acide 6-phosphogluconique qui à son tour est converti en pentose phosphates. Dans cette voie, le glucose-6-phosphate est directement oxydé sans entrer dans la glycolyse, c'est pourquoi il est également connu sous le nom de voie d'oxydation directe ou de shunt d'hexose monophosphate.

Réactions de la voie du pentose phosphate :

Partant de 6 molécules de glucose-6-phosphate, les différentes réactions de cette voie (Fig. 16.18) peuvent être résumées comme suit :

(1) 6 molécules de glucose-6-phosphate en présence de coenzyme NADP sont converties (oxydées) en 6 molécules de 6-phosphogluconolactone par l'enzyme glucose-6-phosphate déshydrogénase. 6 molécules de NADP sont réduites dans la réaction qui est réversible.

(2) La 6-phosphogluconolactone est hydrolysée par l'enzyme lactonase pour produire 6 molécules d'acide 6-phosphogluconique.

(3) L'acide 6-phosphogluconique est décarboxylé par oxydation par l'enzyme déshydrogénase d'acide 6-phosphogluconique. 6 molécules de NADP sont réduites, 6 molécules de CO2 sont libérées et 6 moles de Ribulose-5-Phosphate sont produites.

(4) 6 moles. de Ribulose-5-P isomérise en 4 mol. de XyIuIose-5-Phosphate et 2 mol. de Ribose-5-Phosphate en présence de Ribulose phosphate-3-épimérase et de Pentose phosphate isomérase respectivement.

(5) 2 moles. de xylulose-5-phosphate et 2 mol. de ribose-5-phosphate se combinent en présence de transcétolase pour former 2 mol. de Sédoheptulose-7-Phosphate et 2 mol. de 3-Phosphoglycéraldéhyde.

(6) 2 moles. de Sédoheptulose-7-Phosphate et 2 mol. de 3-Phosphoglycéraldéhyde se combinent en présence de Transaldolase pour former 2 mol. de Fructose-6-Phosphate et 2 mol. d'érythrose-4-phosphate (sucre à 4 atomes de carbone).

(7) 2 moles. d'érythose-4-phosphate réagissent avec les deux moles restantes. de xylulose-5-phosphate (voir réaction n°4 et 5) en présence de transcétolase pour former 2 mol. de Fructose-6-Phosphate et 2 moles de 3-Phosphoglycéraldéhyde.

(8) Une mole. du 3-phosphoglycéraldéhyde s'isomérise en phosphate de dihydroxyacétone. L'enzyme est la Phosphotriose isomérase.

(9) Une mole restante de 3-Phosphoglycéraldéhyde s'unit au phosphate de dihydroxyacétone en présence d'Aldolase pour former une mole. de Fructose 1, 6-bisphosphate. Ce dernier, en présence de Phosphatase forme une mol. de Fructose 6-Phosphate.

(10) 5 molécules de Fructose-6-phosphate produites dans les réactions 6, 7 et 9, s'isomérisent en 5 mol. de Glucose-6-P en présence de Phosphohexose isomérase.

En résumé, 6 mol. de Glucose-6-P qui entrent dans cette voie après oxydation produisent 6 mol. de CO2 (Réaction n° 3. CO2 vient de C-No. 1 de la molécule de glucose) et 12 mol. de coenzymes réduites NADPH2 (réaction 1 et 3) tandis que 5 moles de glucose-6-phosphate sont régénérées (réaction n° 10).

6 (Glucose-6-P) + 12 NADP + → 5 (Glucose-6-P) + 12 (NADPH + H + ) + 6 CO2

En d'autres termes, une mole. de glucose-6-P après oxydation produit 6-mols. de CO2 et 12 molécules (NADPH + H + ).

Toutes les enzymes de la voie des pentoses phosphates sont présentes dans le cytosol.

Signification de la voie pentose-phosphate :

(i) Il fournit une voie alternative pour la dégradation des glucides.

(ii) Il génère des molécules de NADPH qui sont utilisées comme réducteurs dans les processus de biosynthèse dans des conditions où les molécules de NADPH ne sont pas générées par photosynthèse. Il est donc particulièrement important dans les tissus non photosynthétiques tels que les tissus en différenciation, les graines en germination et pendant les périodes d'obscurité. La production de NADPH n'est pas liée à la génération d'ATP dans la voie des pentoses phosphates.

(iii) Il fournit des sucres ribose pour la synthèse d'acides nucléiques.

(iv) Il joue un rôle important dans la fixation du CO2 dans la photosynthèse par le Ribulose-5-Phosphate. (Le ribulose 1, 5-bisphosphate dérivé du ribulose-5-phosphate est le principal accepteur de CO2 en photosynthèse).

(v) Il fournit l'érythrose-4-phosphate nécessaire à la synthèse de l'acide shikimique. Ce dernier est précurseur de composés cycliques aromatiques.

(En plus de la voie ci-dessus pour l'oxydation des glucides, d'autres voies ont été identifiées dans certains micro-organismes et systèmes enzymatiques découverts. Dans tous ces cas, les étapes initiales de l'oxydation du glucose diffèrent de la glycolyse, mais finalement de l'acide pyruvique est produit.

Sur une telle voie alternative se trouve la voie Entner Doudoroff qui est illustrée à la figure 16-19. Dans cette voie, le groupe carboxylique de l'acide pyruvique est dérivé du carbone n° 1 de la molécule de glucose (dans la glycolyse, il était dérivé de C-No. 3 ou 4.).


20.5.1. Une carence en glucose 6-phosphate déshydrogénase provoque une anémie hémolytique d'origine médicamenteuse

Lors de son introduction en 1926, un médicament antipaludique, la pamaquine, était associé à l'apparition de maladies graves et mystérieuses. La plupart des patients ont bien toléré le médicament, mais quelques-uns ont développé des symptômes graves quelques jours après le début du traitement. L'urine est devenue noire, la jaunisse s'est développée et la teneur en hémoglobine du sang a fortement chuté. Dans certains cas, la destruction massive des globules rouges a causé la mort.

Il a été démontré 30 ans plus tard que cette anémie hémolytique d'origine médicamenteuse était causée par une déficit en glucose 6-phosphate déshydrogénase, l'enzyme catalysant la première étape de la branche oxydative de la voie des pentoses phosphates. Ce défaut, hérité du chromosome X, est l'enzymopathie la plus courante, touchant des centaines de millions de personnes. Le rôle majeur du NADPH dans les globules rouges est de réduire la forme disulfure du glutathion en forme sulfhydryle. L'enzyme qui catalyse la régénération du glutathion réduit, la flavoprotéine glutathion réductase, un dimère de sous-unités de 50 kd, est homologue à la ferredoxine-NADP + réductase, que nous avons rencontrée lors de la photosynthèse (Section 19.3.4). La forme réduite du glutathion sert de tampon sulfhydryle qui maintient les résidus de cystéine de l'hémoglobine et d'autres protéines des globules rouges à l'état réduit. Normalement, le rapport des formes réduites aux formes oxydées du glutathion dans les globules rouges est de 500.

Comment le GSH est-il régénéré à partir du GSSG et du NADPH par la glutathion réductase ? Les électrons du NADPH ne sont pas directement transférés à la liaison disulfure dans le glutathion oxydé. Au contraire, ils sont transférés du NADPH à une flavine adénine dinucléotide (FAD) étroitement liée sur la réductase, puis à un pont disulfure entre deux résidus cystéine dans la sous-unité enzymatique, et enfin au glutathion oxydé.

Le glutathion réduit est essentiel pour maintenir la structure normale des globules rouges et pour maintenir l'hémoglobine à l'état ferreux. La forme réduite joue également un rôle dans la détoxification en réagissant avec le peroxyde d'hydrogène et les peroxydes organiques.

Chiffre

Vicia faba. La plante méditerranéenne Vicia faba est une source de fèves qui contiennent de la purine glycoside vicine. [Inga Spence/ Visuels illimités.]

Les cellules avec un niveau abaissé de glutathion réduit sont plus sensibles à l'hémolyse. Comment expliquer biochimiquement ce phénomène ? La présence de pamaquine, un glycoside purique des fèves, ou d'autres agents oxydants non enzymatiques conduit à la génération de peroxydes, des espèces réactives de l'oxygène qui peuvent endommager les membranes ainsi que d'autres biomolécules. Les peroxydes sont normalement éliminés par la glutathion peroxydase avec l'utilisation de glutathion comme agent réducteur (section 24.4). De plus, en l'absence de l'enzyme, les groupes d'hémoglobine sulfhydryle ne peuvent plus être maintenus sous forme réduite et les molécules d'hémoglobine se réticulent alors entre elles pour former des agrégats appelés corps Heinz sur les membranes cellulaires (Figure 20.25). Les membranes endommagées par les corps de Heinz et les espèces réactives de l'oxygène se déforment et la cellule est susceptible de subir une lyse. En l'absence de stress oxydatif, cependant, la carence est assez bénigne. La survenue de ce déficit en déshydrogénase démontre aussi clairement que les réactions atypiques aux médicaments peuvent avoir une base génétique.

Graphique 20.25

Globules rouges avec des corps de Heinz. La micrographie lumineuse montre des globules rouges obtenus d'une personne déficiente en glucose 6-phosphate déshydrogénase. Les particules sombres, appelées corps de Heinz, à l'intérieur des cellules sont des amas de protéines dénaturées qui adhèrent (plus. )


Voie Pentose Phosphate (PPP) | Respiration

La voie principale pour la respiration aérobie du glucose est la glycolyse et le cycle de Krebs, cependant, une voie alternative existe dans de nombreux organismes. Cette voie, qui nécessite la présence d'oxygène, est appelée voie des pentoses phosphates (PPP) ou shunt des hexoses monophosphates (HMS).

Comme le montre la figure, le NADP réduit est formé dans les réactions formant l'acide 6-phosphogluconique et le ribulose-5-R Si l'équivalent d'une molécule de glucose est oxydé en CO2 et Hp via cette voie cyclique (six tours de cycle), alors 12 molécules de NADP réduit seraient formées. En présence de l'enzyme transhydrogénase, les hydrogènes du NADPH peuvent être transférés au NAD pour former le NADH.

Par conséquent, la formation de 12 molécules de NADP réduit via un shunt d'hexose monophosphate peut finalement conduire à la synthèse de 36 molécules d'ATP. Ainsi, la capture de l'énergie libérée lors de l'oxydation du glucose via cette voie (shunt hexose monophosphate) est aussi efficace que celle de la voie du cycle glycolytique-Krebs.

Cette voie (PPP) est également connue sous le nom de cycle de Warburg-Limpam-Dlckens et de shunt de phosphogluconate. Cela a été étudié pour la première fois par Warburg (1935) et Dickens (1938). Cette voie se produit dans le cytosol, où toutes les enzymes de la voie des pentoses phosphates (PPP) sont présentes.

Réactions de la voie des pentoses phosphates (PPP) :

A partir de 6 molécules de glucose 6-phosphate, les différentes réactions de PPP sont les suivantes :

une. 6 molécules de glucose-6-phosphate en présence de coenzyme NADP sont oxydées en 6 molécules de 6-phosphogluconolactone par l'enzyme glucose-6-phosphate déshydrogénase. 6 molécules de NADP sont réduites dans la réaction qui est réversible.

b. La 6-phosphogluconolactone est hydrolysée par l'enzyme lactonase pour produire 6 molécules d'acide 6-phosphogluconique.

c. L'acide phosphogluconique est décarboxylé par oxydation par l'enzyme acide 6-phosphogluconique déshydrogénase. 6 molécules de NADP sont réduites, 6 molécules de CO2 sont libérées et 6 molécules de ribulose-5-phosphate sont produites.

ré. 6 molécules ob ribulose-5-phosphate isomérise en 4 molécules de xylulose-5-phosphate et 2 molécules de ribose-5-phosphate en présence d'enzymes ribulose phosphate-3-épimérase et pentose phosphate isoméras, respectivement.

e. 2 molécules de xylulose-5-phosphate et 2 molécules de ribose-5-phosphate se combinent en présence de l'enzyme transcétolase pour former 2 molécules de sedoheptulose-7-phosphate et 2 molécules de phosphoglycéraldéhyde.

F. 2 molécules de sédoheptulose-7-phosphate et 2 molécules de 3-phosphoglycéraldéhyde se combinent en présence de l'enzyme transcétolase pour former 2 molécules de fructose-6-phosphate et 2 molécules d'érythrose-4-phosphate.

g. 2 molécules d'érythrose-4-phosphate réagissent avec les 2 molécules restantes de xylulose-5-phosphate (réaction 4 et 5) en présence de transcétolase pour former 2 molécules de fructose-6-phosphate et 2 molécules de 3-phosphoglycéraldéhyde.

h. Une molécule de phosphoglycéraldéhyde s'isomérise en phosphate de dihydroxyacétone, en présence de l'enzyme phosphotriose isomérase.

je. Une molécule restante de 3-phosphoglycéraldéhyde s'unit au phosphate de dihydroxyacétone dans l'enzyme aldolase pour former une molécule de fructose 1, 6-diphosphate qui, en présence de phosphatase, forme une molécule de fructose-6-phosphate.

j. 5 molécule de fructose-6-phosphate produite dans les réactions 6, 7 et 9, s'isomérise en molécules de glucose-6-phosphate en présence de l'enzyme phosphohexose isomérase.

En résumé, 6 molécules de glucose-6-phosphate qui entrent dans cette voie, produisent 6 molécules de CO2, après oxydation, et 12 molécules de coenzyme réduite NADPH2, tandis que 5 molécules de glucose-6-phosphate sont régénérées.

6 glucose-6-phosphate + 12 NADP + → 5-glucose-6-phosphate + 12 NADPH2 + 6 CO2

L'oxydation complète d'une molécule de glucose produit 12 molécules de NADPH2, qui est égal à 36 molécules d'ATP. Cette captation de l'énergie libérée lors de l'oxydation du glucose via cette voie (PPP) est aussi efficace que celle de la voie du cycle glycolytique-Krebs, où 38 molécules d'ATP par molécule de glucose sont produites.

Importance de la voie des pentoses phosphates (PPP) :

une. Cette voie fournit une voie alternative pour la dégradation des glucides.

b. Cette voie (PPP) génère des molécules de NADPH 2 qui sont utilisées comme réducteurs dans les processus de biosynthèse dans des conditions où les molécules de NADPH ne sont pas générées par la photosynthèse du Fructose-6-p. Il est donc important dans les tissus non photosynthétiques, tels que les tissus de différenciation, les graines en germination et pendant la période d'obscurité.

La production de NADPH n'est pas liée à la génération d'ATP dans la voie des pentoses phosphates (PPP).

c. Il produit des sucres ribose pour la synthèse des acides nucléiques.

ré. Il joue un rôle important dans la fixation du CO2 dans la photosynthèse par le ribulose-5-phosphate ribulose 1, 5-phosphate dérivé du ribulose-5-phosphate est le principal accepteur de CO2 dans la photosynthèse.

e. Il fournit de l'érythrose-4-phosphate, nécessaire à la synthèse de l'acide shikimique. Ce dernier est précurseur de composés cycliques aromatiques.

F. Il produit un certain nombre de tétroses et de pentoses pour la synthèse de nucléosides, de nucléotides, d'acides nucléiques, d'anthocyanes et d'autres composés.


Cause Cause

Le déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD) est causé par des mutations du G6PD gène. Ce gène donne au corps des instructions pour fabriquer une enzyme appelée G6PD, qui est impliquée dans le traitement des glucides. Cette enzyme protège également les globules rouges des molécules potentiellement nocives appelées espèces réactives de l'oxygène. Les réactions chimiques impliquant le G6PD produisent des composés qui empêchent les espèces réactives de l'oxygène de s'accumuler à des niveaux toxiques dans les globules rouges. [2]

mutations dans le G6PD gène diminue la quantité de G6PD ou modifie sa structure, diminuant sa capacité à jouer son rôle protecteur. En conséquence, les espèces réactives de l'oxygène peuvent s'accumuler et endommager les globules rouges. Des facteurs tels que les infections, certains médicaments ou la consommation de fèves peuvent augmenter les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène, provoquant la destruction des globules rouges plus rapidement que le corps ne peut les remplacer. Cette réduction des globules rouges provoque les signes et les symptômes de l'anémie hémolytique chez les personnes présentant un déficit en G6PD. [2]


Biologie 171

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire comment la rétro-inhibition affecterait la production d'un intermédiaire ou d'un produit dans une voie
  • Identifier le mécanisme qui contrôle le taux de transport des électrons à travers la chaîne de transport d'électrons

Respiration cellulaire doit être régulé afin de fournir des quantités équilibrées d'énergie sous forme d'ATP. La cellule doit également générer un certain nombre de composés intermédiaires qui sont utilisés dans l'anabolisme et le catabolisme des macromolécules. Sans contrôles, les réactions métaboliques s'arrêteraient rapidement alors que les réactions avant et arrière atteindraient un état d'équilibre. Les ressources seraient utilisées de manière inappropriée. Une cellule n'a pas besoin de la quantité maximale d'ATP qu'elle peut produire tout le temps : parfois, la cellule a besoin de dériver certains des intermédiaires vers des voies de production d'acides aminés, de protéines, de glycogène, de lipides et d'acides nucléiques. En bref, la cellule a besoin de contrôler son métabolisme.

Mécanismes de réglementation

Divers mécanismes sont utilisés pour contrôler la respiration cellulaire. Un certain type de contrôle existe à chaque étape du métabolisme du glucose. L'accès du glucose à la cellule peut être régulé à l'aide des protéines GLUT (transporteur de glucose) qui transportent le glucose ((Figure)). Différentes formes de la protéine GLUT contrôlent le passage du glucose dans les cellules de tissus spécifiques.


Certaines réactions sont contrôlées en ayant deux enzymes différentes, une chacune pour les deux directions d'une réaction réversible. Les réactions catalysées par une seule enzyme peuvent atteindre l'équilibre, ce qui bloque la réaction. En revanche, si deux enzymes différentes (chacune spécifique pour une direction donnée) sont nécessaires pour une réaction réversible, la possibilité de contrôler la vitesse de la réaction augmente et l'équilibre n'est pas atteint.

Un certain nombre d'enzymes impliquées dans chacune des voies, en particulier l'enzyme catalysant la première réaction engagée de la voie, sont contrôlées par l'attachement d'une molécule à un site allostérique de la protéine. Les molécules les plus couramment utilisées à ce titre sont les nucléotides ATP, ADP, AMP, NAD + et NADH. Ces régulateurs - effecteurs allostériques - peuvent augmenter ou diminuer l'activité enzymatique, selon les conditions prédominantes. L'effecteur allostérique modifie la structure stérique de l'enzyme, affectant généralement la configuration du site actif. Cette altération de la structure de la protéine (de l'enzyme) augmente ou diminue son affinité pour son substrat, avec pour effet d'augmenter ou de diminuer la vitesse de la réaction. L'attachement signale à l'enzyme. Cette liaison peut augmenter ou diminuer l'activité de l'enzyme, fournissant un mécanisme de rétroaction. Ce type de contrôle par rétroaction est efficace tant que le produit chimique qui l'affecte est attaché à l'enzyme. Une fois que la concentration globale du produit chimique diminue, il diffuse loin de la protéine et le contrôle est relâché.

Contrôle des voies cataboliques

Les enzymes, les protéines, les transporteurs d'électrons et les pompes qui jouent un rôle dans la glycolyse, le cycle de l'acide citrique et la chaîne de transport d'électrons ont tendance à catalyser des réactions non réversibles. En d'autres termes, si la réaction initiale a lieu, la voie s'engage à poursuivre les réactions restantes. La libération d'une activité enzymatique particulière dépend des besoins énergétiques de la cellule (tels que reflétés par les niveaux d'ATP, d'ADP et d'AMP).

Glycolyse

Le contrôle de la glycolyse commence avec la première enzyme de la voie, l'hexokinase ((Figure)). Cette enzyme catalyse la phosphorylation du glucose, ce qui aide à préparer le composé pour le clivage dans une étape ultérieure. La présence du phosphate chargé négativement dans la molécule empêche également le sucre de quitter la cellule. Lorsque l'hexokinase est inhibée, le glucose diffuse hors de la cellule et ne devient pas un substrat pour les voies respiratoires dans ce tissu. Le produit de la réaction de l'hexokinase est le glucose-6-phosphate, qui s'accumule lorsqu'une enzyme ultérieure, la phosphofructokinase, est inhibée.


La phosphofructokinase est la principale enzyme contrôlée dans la glycolyse. Des niveaux élevés d'ATP ou de citrate ou un pH plus bas et plus acide diminuent l'activité de l'enzyme. Une augmentation de la concentration de citrate peut se produire en raison d'un blocage du cycle de l'acide citrique. La fermentation, avec sa production d'acides organiques tels que l'acide lactique, explique fréquemment l'acidité accrue dans une cellule, cependant, les produits de la fermentation ne s'accumulent généralement pas dans les cellules.

La dernière étape de la glycolyse est catalysée par la pyruvate kinase. Le pyruvate produit peut être catabolisé ou converti en acide aminé alanine. S'il n'y a plus besoin d'énergie et que l'alanine est en quantité suffisante, l'enzyme est inhibée. L'activité de l'enzyme est augmentée lorsque les niveaux de fructose-1,6-bisphosphate augmentent. (Rappelez-vous que le fructose-1,6-bisphosphate est un intermédiaire dans la première moitié de la glycolyse.) La régulation de la pyruvate kinase implique la phosphorylation par une kinase (pyruvate kinase), ce qui entraîne une enzyme moins active. La déphosphorylation par une phosphatase la réactive. La pyruvate kinase est également régulée par l'ATP (un effet allostérique négatif).

Si plus d'énergie est nécessaire, plus de pyruvate sera converti en acétyl CoA par l'action de la pyruvate déshydrogénase. Si des groupes acétyle ou du NADH s'accumulent, la réaction est moins nécessaire et la vitesse diminue. La pyruvate déshydrogénase est également régulée par phosphorylation : une kinase la phosphoryle pour former une enzyme inactive, et une phosphatase la réactive. La kinase et la phosphatase sont également régulées.

Le cycle de l'acide citrique

Le cycle de l'acide citrique est contrôlé par les enzymes qui catalysent les réactions qui fabriquent les deux premières molécules de NADH (Revue). Ces enzymes sont l'isocitrate déshydrogénase et ??-cétoglutarate déshydrogénase. Lorsque des niveaux adéquats d'ATP et de NADH sont disponibles, les taux de ces réactions diminuent. Lorsque plus d'ATP est nécessaire, comme en témoigne l'augmentation des niveaux d'ADP, le taux augmente. L'alpha-cétoglutarate déshydrogénase sera également affectée par les niveaux de succinyl CoA, un intermédiaire ultérieur du cycle, provoquant une diminution de l'activité. Une diminution du taux d'exploitation de la voie à ce stade n'est pas nécessairement négative, car les niveaux accrus de la ??-le cétoglutarate non utilisé par le cycle de l'acide citrique peut être utilisé par la cellule pour la synthèse des acides aminés (glutamate).

Chaîne de transport d'électrons

Des enzymes spécifiques de la chaîne de transport d'électrons ne sont pas affectées par la rétro-inhibition, mais le taux de transport d'électrons à travers la voie est affecté par les niveaux d'ADP et d'ATP. Une plus grande consommation d'ATP par une cellule est indiquée par une accumulation d'ADP. À mesure que l'utilisation d'ATP diminue, la concentration d'ADP diminue et maintenant, l'ATP commence à s'accumuler dans la cellule. Ce changement dans la concentration relative d'ADP en ATP incite la cellule à ralentir la chaîne de transport d'électrons.

En savoir plus sur la chaîne de transport d'électrons et la synthèse d'ATP en regardant la chaîne de transport d'électrons : le film (Flash interactif, vidéo)

Pour un résumé des contrôles de rétroaction dans la respiration cellulaire, voir (Figure).

Résumé des contrôles de rétroaction dans la respiration cellulaire
Sentier Enzyme affecté Niveaux élevés d'effecteur Effet sur l'activité de la voie
glycolyse hexokinase glucose-6-phosphate diminuer
phosphofructokinase charge de basse énergie (ATP, AMP), fructose-6-phosphate via fructose-2,6-bisphosphate augmenter
charge à haute énergie (ATP, AMP), citrate, pH acide diminuer
pyruvate kinase fructose-1,6-bisphosphate augmenter
charge de haute énergie (ATP, AMP), alanine diminuer
conversion du pyruvate en acétyl CoA pyruvate déshydrogénase ADP, pyruvate augmenter
acétyl CoA, ATP, NADH diminuer
le cycle de l'acide citrique isocitrate déshydrogénase ADP augmenter
ATP, NADH diminuer
??-cétoglutarate déshydrogénase ions calcium, ADP augmenter
ATP, NADH, succinyl CoA diminuer
chaîne de transport d'électrons ADP augmenter
ATP diminuer

Résumé de la section

La respiration cellulaire est contrôlée par divers moyens. L'entrée du glucose dans une cellule est contrôlée par les protéines de transport qui facilitent le passage du glucose à travers la membrane cellulaire. La plupart du contrôle des processus de respiration est accompli par le contrôle d'enzymes spécifiques dans les voies. Il s'agit d'un type de mécanisme de rétroaction négative qui désactive les enzymes. Les enzymes répondent le plus souvent aux niveaux des nucléosides disponibles ATP, ADP, AMP, NAD+ et FAD. D'autres intermédiaires de la voie affectent également certaines enzymes dans les systèmes.

Réponse libre

Comment le citrate du cycle de l'acide citrique affecte-t-il la glycolyse ?

Le citrate peut inhiber la phosphofructokinase par régulation rétroactive.

Pourquoi les mécanismes de rétroaction négative pourraient-ils être plus courants que les mécanismes de rétroaction positive dans les cellules vivantes ?

Les mécanismes de rétroaction négative contrôlent en fait un processus, ils peuvent le désactiver, tandis que la rétroaction positive accélère le processus, ne permettant à la cellule aucun contrôle sur celui-ci. La rétroaction négative maintient naturellement l'homéostasie, tandis que la rétroaction positive éloigne le système de l'équilibre.

Glossaire


Résumé

Le mécanisme catalytique de la glucose 6-phosphate déshydrogénase de Leuconostocmesenteroides a été étudiée en remplaçant trois acides aminés, His-240, Asp-177 et His 178, par de l'asparagine, en utilisant une mutagenèse dirigée. Chacune des enzymes mutantes a été purifiée jusqu'à homogénéité et caractérisée par des études de liaison au substrat et des analyses cinétiques à l'état d'équilibre. La structure tridimensionnelle de la glucose 6-phosphate déshydrogénase H240N a été déterminée à une résolution de 2,5 Å. Les résultats soutiennent un mécanisme dans lequel His-240 agit comme la base générale qui extrait le proton du groupe C1-hydroxyle du glucose 6-phosphate, et le groupe carboxylate d'Asp-177 stabilise la charge positive qui se forme sur His-240 dans l'état de transition. Les résultats confirment également le rôle postulé de His-178 dans la liaison de la fraction phosphate du glucose 6-phosphate.

Soutenu par la subvention MCB-9513814 de la National Science Foundation.

Les coordonnées atomiques de l'enzyme H240N avec NAD + (2dpg) et de l'enzyme H240N avec NADP + (3dpg) ont été déposées à la Brookhaven Protein Data Bank.

Auteur correspondant. Téléphone : 315-443-3181. Télécopieur : 315-443-2012 Courriel : [email protected]


Le déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase résulte de mutations dans le G6PD gène. Ce gène fournit des instructions pour fabriquer une enzyme appelée glucose-6-phosphate déshydrogénase. Cette enzyme est impliquée dans le traitement normal des glucides. Il protège également les globules rouges des effets de molécules potentiellement nocives appelées espèces réactives de l'oxygène, qui sont des sous-produits des fonctions cellulaires normales. Les réactions chimiques impliquant la glucose-6-phosphate déshydrogénase produisent des composés qui empêchent les espèces réactives de l'oxygène de s'accumuler à des niveaux toxiques dans les globules rouges.

Si des mutations dans le G6PD gène réduire la quantité de glucose-6-phosphate déshydrogénase ou altérer sa structure, cette enzyme ne peut plus jouer son rôle protecteur. En conséquence, les espèces réactives de l'oxygène peuvent s'accumuler et endommager les globules rouges. Des facteurs tels que les infections, certains médicaments ou l'ingestion de fèves peuvent augmenter les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène, provoquant la destruction des globules rouges plus rapidement que le corps ne peut les remplacer. Une réduction du nombre de globules rouges provoque les signes et les symptômes de l'anémie hémolytique.

Les chercheurs pensent que les personnes qui ont un G6PD La mutation peut être partiellement protégée contre le paludisme, une maladie infectieuse véhiculée par un certain type de moustique. Une réduction de la quantité de glucose-6-phosphate déshydrogénase fonctionnelle semble rendre plus difficile l'invasion des globules rouges par ce parasite. Le déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase survient le plus souvent dans les régions du monde où le paludisme est courant.

En savoir plus sur le gène associé au déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase


7.1. CONDITIONS
T = 25 °C, pH = 7,4, absorbance à 340 nm, trajet lumineux = 1 cm

7.2. MÉTHODE
Détermination du taux spectrophotométrique

7.3.1. Glycylglycine 250 mM (tampon)
Préparez une solution à 33 mg/mL dans de l'eau purifiée en utilisant de la glycylglycine, base libre, produit n° G1002. Ajuster à pH 7,4 à 25 °C avec 1 M de NaOH ou 1 M de HCl.

7.3.2. Solution de D-glucose 6-phosphate 60 mM (G-6-P)
Préparez 17 mg/mL dans de l'eau purifiée en utilisant du phosphate de D-glucose-6, sel monosodique, produit n° G7879.

7.3.3. Solution de phosphate de -nicotinamide adénine dinucléotide 20 mM (β-NADP)
Préparez 15,4 mg/mL dans de l'eau purifiée en utilisant du phosphate de β-nicotinamide adénine dinucléotide, sel de sodium, produit n° N0505.

7.3.4. Solution de chlorure de magnésium 300 mM (MgCl2)
Préparez 0,3 mL/mL dans de l'eau purifiée en utilisant une solution de chlorure de magnésium 1,0 M, produit n° M1028.

7.3.5. Solution enzymatique de glucose-6-phosphate déshydrogénase (enzyme)
Immédiatement avant utilisation, préparer 0,3-0,6 unités/mL dans du tampon froid (Réactif 7.3.1).

7.4.1. Préparez un cocktail réactionnel en pipetant (en millilitres) les réactifs suivants dans un récipient adapté :

7.4.2. Mélanger et équilibrer à 25 °C. Ajuster le pH du cocktail réactionnel à 7,4 avec 1 M de NaOH ou 1 M de HCl.

7.4.3. Pipeter (en millilitres) les réactifs suivants dans des cuvettes adaptées :

7.4.4. Équilibrer à 25 °C. Surveiller le A340 nm jusqu'à constante, à l'aide d'un spectrophotomètre convenablement thermostaté. Puis ajouter:

7.4.5. Mélanger immédiatement par inversion et enregistrer l'augmentation de A340 nm pendant environ 10 minutes. Obtenir le A340 nm/minute en utilisant la fréquence linéaire maximale pour le test et le blanc en utilisant un minimum de 4 points de données sur un intervalle de temps d'une minute.

Où:
3 = Volume total (en millilitres) du dosage
df = Facteur de dilution
6,22 = Coefficient d'extinction millimolaire du β-NADPH à 340 nm
0,1 = Volume (en millilitres) d'enzyme utilisé

7.6. CONCENTRATION FINALE DE L'ESSAI
Dans un mélange réactionnel de 3,00 ml, les concentrations finales sont 50 mM de glycylglycine, 2 mM de D-glucose-6-phosphate, 0,67 mM de β-nicotinamide adénine dinucléotide phosphate, 10 mM de chlorure de magnésium et 0,03 à 0,06 unités de glucose-6-phosphate déshydrogénase .


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