CYCLE DU GLYOXYLATE: CARACTÉRISTIQUES, RÉACTIONS, RÉGULATION, FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2024

Le cycle du glyoxylate est une voie métabolique présente dans les plantes, dans certains micro-organismes et chez les animaux invertébrés (absente chez tous les vertébrés), par laquelle ces organismes peuvent convertir les graisses en glucides (sucres).

Cette voie a été découverte en 1957, alors que Kornberg, Krebs et Beevers essayaient d'élucider comment des bactéries telles que Escherichia coli pouvaient se développer en présence d'acétate comme seule source de carbone, et comment les semis en germination d'euphorbe (Ricinus communis) pouvaient convertir les graisses en les glucides.

Schéma du cycle du glyoxylate (Source: Agrotman via Wikimedia Commons)

Des études menées par ces trois chercheurs ont conduit à la découverte de deux enzymes appelées isocitrate lyase et malate synthase, qui, associées aux enzymes du cycle de Krebs, permettent la synthèse du succinate à partir de deux molécules d'acétyl-coA.

Le succinate ainsi produit est converti en malate par le cycle de l'acide tricarboxylique, et peut ensuite être utilisé pour la production de glucose par gluconéogenèse.

Cette voie se produit, chez les plantes, dans des organites spéciaux appelés glyoxysomes et est essentielle pour la survie des plantules pendant les premiers stades de la germination.

caractéristiques

La voie du glyoxylate peut être considérée comme une "modification" du cycle de Krebs, à la différence que la décarboxylation oxydative ne se produit pas dans la première, mais quatre acides dicarboxyliques de carbone peuvent être formés à partir d'unités acétate de deux carbones.

Cette caractéristique du cycle du glyoxylate a été décrite comme un moyen pour certains organismes d'éviter ("contourner") la perte d'atomes de carbone sous forme de dioxyde de carbone qui identifie le cycle de Krebs.

Chez les plantes, le cycle du glyoxylate se produit dans des organites cytosoliques entourées d'une simple membrane appelée glyoxysomes. Dans d'autres organismes tels que les levures et les algues, en revanche, cette voie se produit dans le cytosol.

Les glyoxysomes sont structurellement similaires aux peroxisomes (certains auteurs les considèrent comme des «peroxysomes spécialisés»), d'autres organites responsables d'une partie de la β-oxydation des acides gras et de l'élimination des espèces réactives de l'oxygène chez les organismes eucaryotes.

À l'intérieur, les acides gras sont oxydés pour produire de l'acétyl-CoA, qui est ensuite condensé en composés à quatre atomes de carbone. Ces composés sont sélectivement transportés vers les mitochondries, où ils sont convertis en malate ou transportés vers le cytosol pour entrer dans la voie gluconéogénique (synthèse du glucose).

Les enzymes partagées entre la voie du glyoxylate et le cycle de l'acide tricarboxylique existent dans les mitochondries et le glyoxysome sous forme d'isoenzymes, ce qui signifie que les deux voies fonctionnent plus ou moins indépendamment l'une de l'autre.

Occurrence de glyoxysomes

Les glyoxysomes ne sont pas présents en permanence dans les tissus végétaux. Ils sont particulièrement abondants lors de la germination des graines oléagineuses, qui ont une faible capacité photosynthétique à produire les glucides dont elles ont besoin pour croître.

Chez les plantes pleinement développées, leur participation au métabolisme des graisses n'est pas si essentielle, puisque les sucres sont obtenus principalement par photosynthèse.

Réactions

L'acétate issu de la dégradation des acides gras fonctionne comme un carburant riche en énergie et comme une source de phosphoénolpyruvate pour la synthèse du glucose par gluconéogenèse. Le processus est le suivant:

Étapes du cycle du glyoxylate

1- La voie du glyoxylate, similaire à celle du cycle de Krebs, commence par la condensation d'une molécule d'acétyl-CoA avec une autre d'oxaloacétate pour donner du citrate, une réaction catalysée par l'enzyme citrate synthase.

2- L'enzyme Aconitase transforme ce citrate en isocitrate.

3- L'isocitrate est utilisé comme substrat de l'enzyme isocitrate lyase pour former les composés succinate et glyoxylate.

Structure moléculaire de l'enzyme Isocitrate Liasa (Source: Vrabiochemhw via Wikimedia Commons)

4- Le glyoxylate est repris par l'enzyme malate synthase pour produire du malate par sa condensation avec une seconde molécule d'acétyl-CoA.

5- Le malate est transformé en oxaloacétate par la malate déshydrogénase et ce composé peut servir de précurseur de la voie gluconéogène ou être condensé avec un autre acétyl-CoA pour redémarrer le cycle.

6- Le succinate produit peut également être transformé en fumarate et ce en malate, fournissant une plus grande quantité de molécules d'oxaloacétate pour la formation du glucose. Sinon, cette molécule peut également être exportée vers les mitochondries pour fonctionner dans le cycle de Krebs.

L'oxaloacétate entre dans la voie gluconéogénique de la production de glucose grâce à sa conversion en phosphoénolpyruvate, qui est catalysée par l'enzyme phosphoénolpyruvate carboxykinase.

Régulation

Étant donné que les cycles du glyoxylate et de l'acide tricarboxylique partagent de nombreux intermédiaires, il existe une régulation coordonnée entre les deux.

De plus, il est nécessaire que des mécanismes de contrôle existent, car la synthèse du glucose et d'autres hexoses à partir de l'acétyl-CoA (à partir de la dégradation des graisses) implique la participation d'au moins quatre voies:

- La β-oxydation des acides gras qui produit les molécules d'acétyl-CoA nécessaires à la fois au cycle du glyoxylate et au cycle de Krebs et qui, chez les plantes, a lieu dans les glyoxysomes.

- le cycle du glyoxylate, qui se produit également dans les glyoxysomes et qui, comme mentionné, produit des intermédiaires tels que le succinate, le malate et l'oxaloacétate.

- Le cycle de Krebs, qui a lieu dans les mitochondries et dans lequel les intermédiaires succinate, malate et oxaloacétate sont également produits.

- Gluconéogenèse, qui se produit dans le cytosol et implique l'utilisation d'oxaloacétate converti en phosphoénolpyruvate pour synthétiser le glucose.

Le principal point de contrôle se trouve dans l'enzyme isocitrate déshydrogénase, dont la régulation implique une modification covalente par ajout ou suppression d'un groupe phosphate.

Lorsque l'enzyme est phosphorylée, elle est inactivée, de sorte que l'isocitrate est dirigé vers la voie du glyoxylate pour la production de glucose.

Caractéristiques

Pour les plantes, le cycle du glyoxylate est essentiel, notamment lors du processus de germination, car la dégradation des graisses stockées dans les graines est utilisée pour la synthèse du glucose dans les tissus photosynthétiquement sous-développés.

Le glucose est utilisé comme source pour obtenir de l'énergie sous forme d'ATP ou pour la formation d'hydrates de carbone plus complexes avec des fonctions structurelles, mais certains des intermédiaires générés au cours de la voie du glyoxylate peuvent également servir à la synthèse d'autres composants cellulaires.

Dans les micro-organismes

La fonction principale du cycle du glyoxylate dans les microorganismes est de fournir une voie métabolique «alternative», de sorte que les microorganismes puissent profiter d'autres sources de carbone et d'énergie pour leur croissance.

C'est le cas de la bactérie Escherichia coli, dans laquelle, lorsque les taux de certains intermédiaires de glycolyse et du cycle de l'acide citrique diminuent (isocitrate, 3-phosphoglycérate, pyruvate, phosphoénolpyruvate et oxaloacétate), l'enzyme isocitrate déshydrogénase (qui participe au cycle de Krebs) est inhibée et l'isocitrate est dirigé vers la voie du glyoxylate.

Si cette voie est active lorsque les bactéries se développent dans un milieu riche en acétate par exemple, ce métabolite peut être utilisé pour synthétiser des acides carboxyliques à quatre atomes de carbone qui, plus tard, peuvent conduire à la formation d'hydrates de carbone énergétiques..

Pour d'autres organismes tels que les champignons, par exemple, la pathogénicité s'est avérée être fortement dépendante de la présence d'un cycle de glyoxylate actif, apparemment pour des raisons métaboliques.

Références

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