Pyruvate

Pyruvate
n.,
Définition : L’anion carboxylate de l’acide pyruvique.

Table des matières

Définition du pyruvate

Les pyruvates ont été souvent reconnus comme l’une des molécules les plus importantes qui sont fréquemment représentées à l’intersection de nombreuses réactions et voies biochimiques. Nous pouvons définir le pyruvate comme un anion d’acide 2-oxo monocarboxylique dont la base conjuguée est l’acide pyruvique qui résulte de la déprotonation des groupes carboxyliques. Il agit comme le principal métabolite et cofacteur.

Le pyruvate est communément vu comme l’un des derniers produits de la glycolyse où un couple de ses molécules peut être produit par la dégradation relative d’une seule molécule de glucose. Le principal produit final de la glycolyse est le pyruvate et les molécules d’eau, plus des molécules à haute énergie, telles que l’ATP et le NADH.

Pyruvate (définition de la biologie) : le produit final de la glycolyse, qui est converti en acétyl coA qui entre dans le cycle de Krebs lorsque l’oxygène disponible est suffisant. Mais lorsque l’oxygène est insuffisant, le pyruvate est décomposé en anaérobie, comme dans la fermentation qui crée du lactate ou de l’éthanol comme produit final. Étymologie : pyr(o)- + latin ūva, raisin (du fait qu’il est produit par la distillation sèche de l’acide racémique, initialement issu du raisin) + -ate.

Quelle est la principale source métabolique du pyruvate ?

La principale source métabolique du pyruvate est le glucose. De plus, pour la participation au cycle de l’acide citrique, il est ensuite transporté vers la mitochondrie (d’abord, en transformant le pyruvate en acétyl CoA ; plus de détails ci-dessous).

Comment le pyruvate entre-t-il dans la mitochondrie ?

Le pyruvate entre dans la mitochondrie par l’intermédiaire de la protéine pyruvate translocase.

Il a été rapporté que par fermentation, le pyruvate est transformé en lactate (par exemple chez les animaux) ou en éthanol (par exemple chez les plantes supérieures et les levures). Ladite réaction ne se produit qu’en l’absence d’air ou lorsque les besoins en air dépassent l’offre globale. En outre, le glucose peut être régénéré à nouveau par le lactate et le pyruvate. (Réf. 1) De même, l’oxydation du pyruvate entraîne la formation d’acétyl CoA.

Un autre terme utilisé est celui de transformation du pyruvate où le pyruvate est transformé pour libérer une molécule de dioxyde de carbone et les deux carbones restants sont utilisés pour produire de l’acétyl CoA.

Où se produit l’oxydation du pyruvate ?

Le processus d’oxydation du pyruvate se produit dans la matrice mitochondriale. Il faut rappeler ici que l’oxydation du pyruvate est également connue sous le nom de décarboxylation du pyruvate. Les synthèses anaboliques d’acides aminés et d’acides gras sont des exemples de processus biologiques qui incluent un tel processus. De même, les scientifiques pensent qu’il peut influencer les modifications épigénétiques et l’activité nucléaire, induisant ainsi une interface entre l’état métabolique et le génome de la cellule.

Le pyruvate est produit par les corps, une fois que le sucre (glucose) est décomposé et sa formule moléculaire est C3H3O3- ayant un poids moléculaire de 87.5 g mol-1.

Il convient de mentionner ici que la formation d’acétyl coenzyme A se produit lorsque la molécule de pyruvate est oxydée via la réaction du cycle de Kreb (cycle de l’acide citrique) et l’oxaloacétate par des réactions anaplérotiques.

Le cycle de Kreb doit son nom à un célèbre biochimiste Hans Adolf Krebs qui a été récompensé par un prix Nobel en 1953.

Définition du pyruvate en biologie

Le pyruvate est l’intersection clé des voies métaboliques où il peut être converti en acides gras et en énergie par l’intermédiaire de l’acétyl-.CoA et en glucides par le processus de gluconéogenèse et en éthanol et en acide aminé alanine. De cette façon, de nombreux processus métaboliques sont réunis qui renforcent encore l’importance des pyruvates en biologie et en biochimie. (Réf. 2)

Structure du pyruvate

Le pyruvate a une structure chimique très simple et c’est la base conjuguée de l’acide pyruvique. Trois molécules de carbone sont composées d’un groupe fonctionnel cétone et d’un groupe carboxyle présents dans la structure du pyruvate. La formule chimique du pyruvate est C3H3O3- et la formule chimique de l’acide pyruvique est C3H4O3 et C3H3O3 représente sa forme déprotonée. L’atome de carbone qui forme l’acide carboxylique s’écrit principalement comme le premier atome de carbone et le long du squelette carboné, en s’éloignant de la terminaison de l’acide carboxylique, le nombre augmente. De même, avec le deuxième atome de carbone, qui est également appelé carbone a, le groupe cétone est attaché et on voit que ce carbone est le plus proche du groupe fonctionnel principal. Enfin, dans la structure du pyruvate, le groupe méthyle est attaché au troisième carbone. La structure du pyruvate est visible sur la figure 1.

structure du pyruvate
Figure 1 : Structure chimique du pyruvate

Le pyruvate est l’alpha-cétoacide le plus simple, et il est également connu sous le nom d’acide a-céto propanoïque via la nomenclature officielle de l’UICPA. Il possède trois atomes qui agissent comme donneurs et accepteurs de liaisons hydrogène.

Pyruvate vs acide pyruvique

Le pyruvate et l’acide pyruvique sont-ils identiques ? Il est utile de mentionner ici que le pyruvate peut également être appelé acide pyruvique donc le pyruvate et l’acide pyruvique sont les mêmes. La raison en est que lorsque l’acide pyruvique est dissous dans l’eau, le proton présent dans le groupe carboxylate (-COOH) se brise, laissant la molécule de pyruvate chargée et le proton. Ainsi, le proton, le pyruvate et l’acide pyruvique restent en équilibre, comme le montre la figure 2. (Réf. 3) Bien que dans n’importe quelle solution, les concentrations des trois composants énoncés puissent être vues, le pourcentage des concentrations ne changera pas en raison du fait que les réactions de dissociation et de formation sont à l’équilibre.

formation de l'acide pyruvique
Figure 2 : Formation de l’acide pyruvique via une combinaison de pyruvate et de proton. Crédit : Moran, L.A. – Pyruvate

Question : Qu’est-ce que l’acide pyruvique ?
Réponse : L’acide pyruvique est le produit du pyruvate C3H3O3 et d’un proton (H+). De plus, on pense que l’acide pyruvique, comme d’autres acides cétoniques, peut également se tautomériser de sa forme cétone, à sa forme énol, contenant une molécule d’alcool et une double liaison. Il s’agit d’une procédure très importante dans la dernière étape de la glycolyse, une voie métabolique qui convertit le glucose en pyruvate.

Génération et métabolisme du pyruvate

D’où vient le pyruvate ? Les deux méthodes les plus courantes par lesquelles les pyruvates sont générés sont par le métabolisme des acides aminés et l’autre est la voie glycolytique. Il a été calculé que près de dix pour cent des besoins énergétiques du corps humain sont satisfaits par les protéines, et que seuls certains acides aminés sont dirigés vers la machinerie respiratoire cellulaire par le biais des pyruvates. Les acides aminés qui sont dirigés sont classés comme acides aminés glucogéniques, tandis que les acides aminés cétogéniques sont ceux qui entraînent généralement la formation d’acétyl-CoA ou autrement appelés acétoacétate. Le pyruvate peut également être régénéré par le lactate qui est reproduit par la fermentation anaérobie comme démontré ci-dessus, par le biais de plusieurs activités enzymatiques dans le foie.

L’une des autres méthodes les plus importantes par lesquelles le pyruvate est traité est désignée sous le nom de glycolyse qui commence par le glucose monosaccharide à six carbones. Les étapes primaires du processus biochimique comprennent la formation de fructose-6-phosphate dans lequel le glucose subit le processus de phosphorylation et d’isomérisation. En outre, une autre réaction de phosphorylation facilite la décomposition de ce glucose en molécules à trois carbones, à savoir le phosphate de dihydroxyacétone (DHAP) et le phosphate de glycéraldéhyde (G3P). Ces étapes consomment deux molécules d’ATP pour chaque molécule de glucose en acquérant l’énergie, transformant ainsi une molécule d’hexose en deux molécules de triose. De plus, grâce à la catalyse enzymatique, les deux isomères DHAP et G3P peuvent être interconvertis. Ainsi, on peut conclure que le glycéraldéhyde phosphate est converti en acide pyruvique où un total de cinq réactions biochimiques sont exécutées, libérant une seule molécule de NADH et deux molécules d’ATP pour chaque molécule de G3P.

Il faut noter ici que le phosphoénolpyruvate abrégé en PEP est l’avant-dernière molécule qui est produite via ces chaînes de réactions biochimiques, qui est ensuite l’ester phosphorylé du pyruvate. En général, un groupe phosphate est libéré par le PEP de sorte que le pyruvate est formé et le phosphate libéré forme d’abord l’ADP qui forme finalement l’ATP. La réaction est catalysée par une enzyme très importante connue sous le nom de pyruvate kinase (PK). De plus, cette réaction est irréversible et constitue l’étape déterminant le taux dans le processus de conversion du glucose en pyruvate car c’est l’une des étapes les plus lentes de la réaction en chaîne.

Un autre processus pratique pour produire du pyruvate est le métabolisme des acides aminés où les six acides aminés distincts, à savoir la sérine, la glycine, l’alanine, la thréonine, la cystéine et le tryptophane, peuvent être métabolisés pour former du pyruvate. Parmi les six acides aminés, les plus faciles à transformer sont la sérine et l’alanine car ils ont trois atomes de carbone. Dans ces réactions, un seul groupe d’enzymes, les transaminases, catalyse le remplacement du groupe fonctionnel des amines par une cétone.

Bien que la cystéine soit également un atome de trois carbones, sa transformation en pyruvate comprend une étape supplémentaire où l’atome de soufre est retiré. En outre, il n’y a que deux atomes de carbone dans la glycine, ainsi, avant de subir le processus de désamination, elle est transformée en acide aminé à trois carbones (typiquement, la sérine), ce qui accélère sa conversion en pyruvate.

La conversion du tryptophane suit également la même procédure – dans laquelle trois groupes alkyle du tryptophane sont initialement convertis en alanine, puis par l’action de l’enzyme alanine transaminase se transforme en une molécule de pyruvate.

En dernier lieu, l’acide aminé, la thréonine, suit le chemin le plus long pour se convertir en pyruvate. Dans le processus, dans un premier temps, il se transforme en glycine, puis en sérine avant d’être actionné par la sérine déshydratase.

Fonctions du pyruvate

La fonction principale du pyruvate est de servir de transporteur d’atomes de carbone vers la mitochondrie pour une oxydation complète en dioxyde de carbone. Dans le cytoplasme, à la fin du processus de glycolyse, les molécules de pyruvate qui sont générées à partir du sucre sont envoyées vers la matrice de la mitochondrie par l’intermédiaire d’un couple de protéines qui sont les transporteurs de pyruvate mitochondriaux 1 et 2 (i.c’est-à-dire MCP1 et MCP2, respectivement).

La pyruvate déshydrogénase, qui est un complexe important de multi-enzymes, catalyse les réactions d’oxydation et de décarboxylation pour la production d’acétyl coenzyme A dénommé acétyl-CoA. La première enzyme dudit complexe est connue sous le nom de pyruvate déshydrogénase, où le groupe carboxylique est retiré de la molécule, laissant ainsi derrière elle une molécule à deux carbones constituée d’un groupe carbonyle et d’un groupe méthyle. En outre, les deuxième et troisième enzymes de la PDC oxydent le groupe carbonyle déjà produit et, par le biais d’une liaison thioester, accélèrent la liaison covalente avec le CoA. Il est intéressant de noter ici que le thioester produit peut être ajouté dans l’eau en même temps que la libération d’énergie.

Les scientifiques ont récemment détourné l’attention des pyruvates en effectuant l’acétylation à l’échelle du génome des molécules d’histone. Les altérations épigénétiques qui peuvent transformer toute l’activité transcriptionnelle des cellules, la mitose et le cycle cellulaire sont connues sous le nom d’acétylation des histones. La principale condition pour réaliser cette acétylation est la disponibilité et la présence d’acétyl-CoA. Les deux moyens possibles de produire de l’acétyl-CoA sont la PDC dans le noyau ou le transfert du complexe enzymatique de la mitochondrie vers le noyau. L’environnement externe, le cycle cellulaire, la disponibilité des nutriments et les facteurs de croissance sont quelques-uns des facteurs qui affectent la concentration d’acétyl-CoA dans le noyau. On a également observé que, outre l’acétyl-CoA, la pyruvate kinase est une autre enzyme présente dans le noyau et associée au métabolisme du pyruvate. Le principal avantage de cette kinase est qu’elle génère le pyruvate à partir du PEP dans les dernières réactions formées de la glycolyse. De même, la littérature pertinente indique que cette kinase joue un rôle essentiel dans le noyau et la phosphorylation des protéines nucléaires. De plus, si la respiration aérobie n’est pas possible, on peut observer la fermentation du pyruvate en acide lactique.

En quoi l’acide pyruvique doit-il être transformé avant de pouvoir entrer dans le cycle de l’acide citrique ?

C’est la transformation du pyruvate en acétyl CoA. C’est par ce biais qu’il peut entrer dans le cycle de l’acide citrique. En général, il y a sept étapes importantes du cycle de l’acide citrique (qui est également connu sous le nom de cycle de Krebs comme mentionné précédemment).

  • Dans la première étape, la réaction de condensation se produit, où le groupe acétyle à deux carbones se combine avec la molécule d’oxaloacétate à quatre carbones, ce qui entraîne la formation d’une molécule de citrate à six carbones.
  • Dans l’étape suivante, la molécule de citrate perd rapidement une seule molécule d’eau car ici, le citrate se transforme en isocitrate qui est son isomère.
  • Dans la troisième étape, l’oxydation de l’isocitrate se produit, ce qui entraîne la formation de la molécule à cinq carbones.
  • Dans les étapes trois et quatre, les réactions d’oxydation et de décarboxylation se produisent.
  • Dans l’étape suivante, un groupe phosphate est produit pour le coenzyme A, ce qui entraîne la formation d’une liaison de très haute énergie.
  • La prochaine étape du processus global de déshydratation où le succinate est converti en fumarate.
  • La dernière étape du cycle de l’acide citrique est l’ajout d’eau dans le fumarate et le malate est produit. De plus, ici, dans la dernière étape, le cycle de l’acide citrique régénère, l’oxaloacétate par l’oxydation du malate. Ici, on a vu qu’une autre molécule de NADH est formée avec succès.

Le cycle global de l’acide citrique a été montré dans la figure 3. (Réf. 4)

Digramme du cycle de l'acide citrique
Fig 3 : Le cycle de l’acide citrique. Crédit : LumenLearning.com – Oxydation du pyruvate et cycle de l’acide citrique.

Importance biologique du pyruvate

Les pyruvates ont de nombreuses fonctions biologiques et biochimiques.

Question : Quel est le rôle des pyruvates dans la respiration cellulaire ?
Réponse : Les pyruvates fournissent généralement de l’énergie aux cellules par le cycle de l’acide citrique facilitant la respiration cellulaire.

Question : Quel est le rôle de l’acide pyruvique dans la fermentation ?
Réponse : Le rôle principal de l’acide pyruvique dans la fermentation est qu’il fournit le pyruvate et le NADH issus de la glycolyse.

En dehors de notre discussion précédente sur le rôle essentiel du pyruvate dans la respiration cellulaire, il a été utilisé dans l’industrie médicale et esthétique. Par exemple, les pyruvates sont vendus comme compléments alimentaires pour la perte de poids. Il semble également contribuer à lisser la peau humaine en diminuant l’étendue des rides, en réduisant les taches sombres que l’on trouve sur la peau en raison du vieillissement et d’une longue exposition de la peau au soleil. Les recherches les plus récentes suggèrent que la prise d’une petite quantité de pyruvate de sodium améliore la capacité de travail du foie chez les patients qui consomment régulièrement de grandes quantités d’alcool. Outre l’amélioration de la fonctionnalité des foies, les performances des poumons peuvent également être améliorées chez les patients souffrant de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Les premières recherches suggèrent également que l’insuffisance cardiaque congestive (ICC) peut être évitée en prenant une quantité infime de pyruvate comme solution. Enfin, la mue de la peau chez la majorité de la population ayant une peau squameuse et écailleuse peut être augmentée. Ainsi, on peut conclure qu’il existe de nombreux exemples de fonctions biologiques pratiques du pyruvate que l’on peut facilement observer dans notre vie quotidienne.

(1) Synthèse diastéréosélective catalysée par le ruthénium de pyrrolidines entièrement substituées à partir d’anilines et de pyruvates diazoïques. (2020). Organic Letters. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.orglett.0c00846
(2) 5.3B : acide pyruvique et métabolisme. (2017, 8 mai). Biology LibreTexts. https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Microbiology/Book%3A_Microbiology_(Boundless)/5%3A_Metabolisme_microbien/5.03%3A_Catabolisme/5.3B%3A_Pyruvic_Acid_and_Metabolism
(3) Moran, L. (2007, 17 avril). Pyruvate. Sandwalk. https://sandwalk.blogspot.com/2007/04/pyruvate.html
(4) Oxydation du pyruvate | Biologie pour les majors I. (2020). Lumenlearning.com. https://courses.lumenlearning.com/wm-biology1/chapter/reading-pyruvate-oxidation/

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