UV_303-308_MET_EXER__HYDRATES_DE_C

METABOLISME DE L’EXERCICE
UV 303/308
HYDRATES DE CARBONE
P.Pilardeau
1
METABOLISME DES HYDRATES DE CARBONE
Le métabolisme des hydrates de carbones concerne essentiellement les voies métaboliques du
glucose. Pour faciliter la compréhension du fonctionnement de ces voies et de leurs régulations ce
paragraphe sera divisé en six chapitres :
Phosphorylation du glucose
Métabolisme du glycogène
Glycolyse
Métabolisme du pyruvate
La voie de l’oxydation
La néoglucogenèse.
1. MECANISMES DE PHOSPHORYLATION
1.1 GLUCOSE
Le glucose est apporté dans l'alimentation sous forme de glucose simple (fruits, boisson
énergétique) de saccharose (sucre de cuisine) ou d'amidon (cette dernière forme représente plus des
3/4 du glucose alimentaire). Chez l'homme au repos environ 50% du glucose ingéré est utilisé
comme source énergétique immédiate.
Les 50% restant sont mis en réserve sous forme de glycogène ou de triglycérides.
CH2OH
OH
O
OH
Glucose
OH
OH
1.1.1 Ingestion de glucose
Le glucose ingéré est très rapidement retrouvé au niveau plasmatique (moins d’une demiheure après). La quantité relative de glucose exogène peut représenter une fraction importante du
glucose plasmatique (25 mmol). Ainsi, trente minutes après une ingestion de glucose de 10, 30 et 40g,
la fraction exogène représente 25, 45 et 65% du glucose circulant.
Au niveau intestinal, le glucose franchit la membrane de l’entérocyte de façon passive, mais
aussi de façon facilité avec un transporteur selon le modèle de Crâne.
Il s’agit d’une diffusion facilitée couplée à la pompe à sodium. Ce système fait intervenir une
protéine membranaire comportant des sites de reconnaissance pour le glucose et le sodium. La bascule
de cette protéine dans la membrane libère dans le milieu intérieur le Na+ et le glucose (les
concentrations de ces deux éléments sont plus faibles dans le cytoplasme). Le sodium est extrudé de
la cellule par une pompe à sodium ATPasique.
2
Na+
Glucose
Fixation du Na+
Augmentation de l’affinité Bascule de la protéine
Pour le glucose
libération du Na+ et du glucose
Na+
K+
Pompe NA+/K+
Contrairement au système précédent, il existe une vitesse limite (système saturable) et une
dépense énergétique pour évacuer le sodium.
Grace à ce système, 100% du glucose intestinal passe dans la circulation.
1.1.2 Pénétration cellulaire
- Passage de la membrane
Pour être utilisé, le glucose plasmatique doit franchir les membranes cellulaires. En fonction
de l’organe la membrane cellulaire offre plus ou moins de résistance au passage de cette molécule. On
distingue deux types de cellules, les cellules insulinodépendantes et les cellules non
insulinodépendantes.
Pour les tissus non insulino-dépendants (hépatocyte, neurones, érythrocytes) le glucose
diffuse dans la cellule. Sa pénétration est uniquement fonction du gradient de concentration entre le
plasma et le cytoplasme cellulaire.
Dans le cas des tissus insulino-dépendants, le franchissement de la membrane nécessite la
présence d’un transporteur et d’une hormone, l'insuline. Les principales cellules concernées sont les
cellules musculaires, endocrines, adipocytaires.
1.1.3 Phosphorylation
La phosphorylation est assurée, dès le passage de la membrane cellulaire, par l'hexokinase
dans toutes les cellules de l'organisme, à l'exclusion du foie où cette fonction est assurée par la
glucokinase.
Enzyme / Cellule
Hexokinase
Glucokinase
Insulino-dépendante
muscle, adipocyte
/
Non insulino-dépendante
neurones, érythrocytes
hépatocyte
Le glucose entrant dans la cellule est immédiatement phosphorylé en G-6-P. Sous cette forme
il ne peut ressortir de la cellule.
3
Hexo ou Gluco kinase
Glucose
G-6-P
ATP
ADP
Ces deux enzymes sont irréversibles.
Hexokinase
L’hexokinase est une enzyme peu spécifique. La régulation de cette enzyme est assurée par le
G-6-P (rétrocontrôle négatif).
--Hexokinase
G
G-6-P
ATP
ADP
La diminution du G-6-P cellulaire se produit lors de l'activation de la glycolyse (exercice
musculaire) ou de la glycogénogenèse (phase de récupération après un exercice).
Cellule musculaire
Exercice musculaire
Repos, lors de la
reconstitution des réserves
Glycogène
Glycogène
(Glycogénogenèse
stimulée par l’insuline)
G
G-6-P
G
G-6-P
Pyruvate
Cycle de Krebs +++
Cycle de Krebs
Glucokinase
La glucokinase est une enzyme cytosolique hépatique très spécifique dont le mode de
fonctionnement diffère sensiblement de celui de l'hexokinase pour sa régulation. Le Km élevé de cette
enzyme (10-2 mol), donc sa moins grande affinité, permet de moduler les apports de glucose au
foie en fonction de la valeur de la glycocytie (les fortes concentrations de glucose intracellulaire
augmentent la vitesse de réaction).
Quand la glycémie portale est élevée, après un repas, le foie capte le glucose par
diffusion augmentant ainsi la glycocytie.
Au contraire, quand la glycémie portale diminue (<5,5mmol/1), à distance d’un repas, le
glucose ne peut plus être capté par l'hépatocyte et phosphorylé.
La glucokinase n'est pas régulée par son produit, le G-6-P, comme l'hexokinase, mais
par son substrat. Sa synthèse peut être induite par l'insuline.
4
+++
Glucokinase
G
G-6-P
ATP
ADP
La pénétration du glucose dans la cellule, et son utilisation in situ après phosphorylation,
sont deux mécanismes étroitement intriqués.
Schématiquement il existe deux situations différentes.
Au niveau cellulaire périphérique le glucose entré dans la cellule ne pourra servir
qu’à cette cellule à l’exclusion de toute autre. L’absence de G-6-P phosphatase locale interdit toute
restitution de glucose, donc une éventuelle remise à disposition pour les autres cellules.
Au niveau de la cellule hépatique existe une G-6-P phosphatase permettant la
redistribution du glucose, provenant de l’alimentation de la glycogénolyse ou de la néoglucogenèse,
au plasma pour maintenir la glycémie et alimenter les autres cellules en glucose.
Le foie est un carrefour essentiel du métabolisme glucidique :
= Il reçoit la totalité du glucose ingéré
= Il gère les réserves de glycogène
= Il est capable de synthétiser de novo du glucose grâce à la néoglucogenèse
= Il utilise du glucose pour la synthèse du cholestérol et des acides gras, via la
glycolyse.
= Il maintient l’homéostasie glucidique
Glycogène
Glucose alimentaire
G-6-P
Glucose plasmatique
Acides gras
Néoglucogenèse
Glycolyse
Cholestérol
1.1.4 Rôle de la G-6-P Phosphatase hépatique
Il s’agit d’un carrefour essentiel dans la distribution du G-6-P
La G-6-P phosphatase est une enzyme irréversible activée par son substrat.
+++ G-6-P Phosphatase hépatique
G-6-P
Pi + Glucose
Circulation
5
Quand la concentration locale de G-6-P est élevée, la G-6-P Phosphatase hépatique est
stimulée, de grandes quantités de glucose sont mises en circulation.
1.1.4.1 Effet d’une absorption de glucose sur le métabolisme hépatique.
Lors d’une arrivée massive de glucose par la veine porte, la glucokinase, activée par son
substrat, produit de grandes quantités de G-6-P. Celui-ci active à son tour la G-6-P Phosphatase, qui
redonne du glucose, libéré dans la circulation. Il s’agirait donc dans ce cas d’un cycle futile, mais dont
le rôle est essentiel pour orienter le glucose ingéré vers la circulation ou les métabolismes hépatiques.
En fait le mot « futile » ne peut s’adresser à ce mécanisme car le point de départ (entrée dans la
cellule) et d’arrivée (sortie de la cellule) sont anatomiquement distincts.
+++
Glucokinase
G
portal
G-6-P
ATP
ADP
+++
G-6-P Phosphatase hépatique
Glucose + Pi
plasmatique
Le glucose mis en circulation, après une ingestion massive, passe donc d’abord sous la forme
de G-6-P, avant d’être transformé à nouveau en glucose.
1.1.4.2 Effet du jeûne
Lors du jeûne, le G-6-P est produit en grande quantité par la glycogénolyse et la
néoglucogenèse (substrats : acides aminés, glycérol), il active la G-6-P Phosphatase qui libère le
glucose pour maintenir la glycémie.
Glycogénolyse
+++
+++ G-6-P Phosphatase hépatique
Néoglucogenèse
+++
G–6-P
Glucose + Pi
plasmatique
Notez que, du fait de la très faible concentration de glucose dans la veine porte, la
glucokinase est pratiquement à l’arrêt.
1.1.4.3 Effet de l’exercice physique
Lors de l’exercice physique, le mécanisme est identique, seuls les substrats de la
néoglucogenèse sont différents (acide lactique, glycérol, alanine)
1.1.4.4 Effet d’une ingestion de glucose pendant l’activité physique
L’arrivée massive de glucose par la veine porte stimule la glucokinase, qui synthétise du G-6P. Celui-ci s’additionne au G-6-P provenant de la néoglucogenèse et de la glycogénolyse, et freine par
rétrocontrôle le glycogénolyse, induisant ainsi une épargne de glycogène hépatique.
Glycogène
- - - Glycogénolyse
+++ Glucokinase
++++ G-6-P phosphatase
Glucose alimentaire
G-6-P
Glucose
Néoglucogenèse
6
1.1.4.5 Effet d’une ingestion de glucose après l’activité physique
Après l’activité physique les réserves glycogéniques hépatiques sont excessivement basses.
La glycogénogenèse est activée (voir § suivant), le G-6-P est immédiatement intégré dans cette voie,
son taux hépatocytaire reste donc peu élevé, la G-6-P phosphatase est très peu activée.
Glycogène
Glycogénogenèse ++
+++ Glucokinase
G-6-P phosphatase
Glucose alimentaire
G-6-P
Glucose
1.1.4.6 Effet d’ingestions itératives de glucose
L’ingestion répétée d’hydrates de carbone ne permet en aucun cas de surmultiplier les
réserves de glycogène hépatique. Au niveau de l’hépatocyte, la glucose-6-P phosphate est donc
activée, et délivre de grandes quantités de glucose dans la circulation. Cette hyperglycémie a pour
effet de provoquer un hyperinsulinisme, et de ce fait, la stimulation des acides gras hépatiques via la
glycolyse.
Glycogène
-Glycogénogenèse
Insuline +++
+++ Glucokinase
++ G-6-P phosphatase
Glucose alimentaire
G-6-P
Glucose
+++
+++
Pénétration dans la cellule
Glycolyse
Synthèse des Acides gras
1.1.5 Effets d'une ingestion de glucose sur les sécrétions hormonales
Glucose et réponse insulinique
- Au repos
L'ingestion de glucose est responsable d'une hyperglycémie dans la demi-heure qui suit, et
d'une réponse insulinique (voir insuline). Cependant, l’état métabolique du sujet ou son rapport masse
maigre / masse grasse (M/G) est susceptible de modifier l’importance de la réponse et sa durée.
Ainsi, l’ingestion de 100 g de glucose, chez des body builders présentant un rapport M/G très élevé,
semble mieux tolérée que chez le sujet sédentaire ou le sujet obèse. Le pic le moins élevé et surtout le
retour à la normal est réalisé beaucoup plus rapidement. Ce phénomène s’accompagne d’une réaction
insulinique deux fois plus faible que chez l’obèse. Il peut être expliqué par la plus grande masse
musculaire et un effet permissif accru des membranes musculaires pour le glucose.
- A l’exercice
Si l’ingestion de glucose est réalisée pendant la pratique sportive le pic insulinique ne se
produit pas du fait du taux élevé de catécholamines circulantes. Si cette ingestion est proposée dans le
premier quart d’heure, on peut seulement noter une diminution moins rapide de l’insulinémie.
Cependant, si l’exercice est de très faible intensité (<30% de la VO2 max) et prolongé l’ingestion de
200 g de glucose est responsable d’un hyperinsulinisme (la valeur de repos peut être multipliée par 2).
7
Réponse insulinique sans glucose
Il existe d’autres moyens de provoquer une décharge d’insuline sans ingestion de glucose.
L’absence d’apport aboutit très vite à une sensation de faim, puis à une hypoglycémie réactionnelle.
L’odorat (une odeur agréable devant une rôtisserie ou une croissanterie) peut, en
stimulant l’hypothalamus, et donc par voie nerveuse, provoquer une décharge d’insuline.
La vue (photographie de plats alléchants) agit selon un processus identique.
Le goût est lui aussi directement impliqué dans ce processus neurologique.
L’absorption de boissons faussement sucrées (édulcorants), agît également sur les centres de
stimulation pancréatique. Si aucune calorie n’est présente dans cette boisson, ce qui est généralement
le cas, le processus de la lipogenèse peut cependant être déclenché, mettant ainsi en péril le jeûne
glucidique destiné à réduire l’excès pondéral.
Glucose et réponse au glucagon
- Au repos
L’ingestion de glucose provoque une diminution de la glucagonémie
- A l’exercice
Le glucose absorbé pendant un exercice physique est responsable d’une modification des
réponses hormonales. Le glucagon (normalement faiblement augmenté par l’exercice) croît moins
rapidement et n’atteint, après deux heures d’exercice, que la moitié du taux observé pour le même
exercice pratiqué sans apport d’hydrates de carbone (valeur de départ 145 pg/ml, avec 160 pg/ml, sans
180 pg/ml).
Si l’exercice est inférieur à 30% de la VO2 max., la prise de 200 g de glucose provoque une
stagnation de la glucagonémie proche de sa valeur de repos.
Glucose et réponse de l’adrénaline
- Au repos
L’ingestion de glucose induit une diminution des catécholamines circulantes.
- A l’exercice
L’absorption de boisson glucosée au début d’un exercice est responsable d’une moins grande
augmentation de l’adrénaline tandis que l’insuline et la noradrénaline ne sont pas sensiblement
modifiées.
Adrénaline en
nmol/l
Sans sucre
Avec sucre
Repos
30
60
90
120
150
0.25
0.50
0.60
2.5
2.6
2.7
0.25
0.30
0.35
0.4
0.45
0.5
minutes
Variations de l’adrénaline plasmatique chez des sujets pratiquant un exercice physique entre 60 et
65% de la VO2 max, avec ou sans boisson sucrée (200 ml d’une boisson glucosée à 10%), d’après
P.Felig, 1982.
8
1.2 FRUCTOSE
Le fructose est un céto-héxose isomère du glucose essentiellement apporté par la
consommation de saccharose (disaccharide formé d’un glucose et d’un fructose) et plus faiblement
sous forme libre par les fruits.
CH2OH O CH2OH
OH
OH
Fructose
OH
L’ingestion de fructose ne provoque pas de réponse insulinique. Cependant, il a pu être noté
qu’en situation d’hyperglycémie l’ingestion de fructose pouvait stimuler la sécrétion pancréatique. Ce
phénomène encore non expliqué ne se rencontre pas lors de l’activité physique chez le sujet sain.
Le fructose circulant est normalement capté en totalité par le foie où il est phosphorylé en
Fructose 1 - P.
1.2.1
Métabolisme hépatique
1.2.1.1 Enzymes hépatiques
Fructokinase
La fructokinase est présente dans le foie, l’intestin et le rein. Il s’agit d’une enzyme très
spécifique pour le fructose. (Km 0.5 mM), et dont la vitesse de réaction est très grande (jusqu’à 10
µmol/min/g de tissu)
---Fructokinase
Fructose
Fructose 1- P
ATP
ADP
La régulation de cette synthèse est assurée par l’ADP produit par la réaction. L’administration
d’une dose importante de fructose est responsable d’une déplétion hépatique en ATP du fait de la
grande activité de cette voie métabolique
Aldolase B
Le fructose 1- P hépatique est ensuite clivé par l’aldolase B (son déficit est responsable de
l’intolérance héréditaire au fructose) pour donner du glycéraldéhyde (GA) et de la phosphodihydroxy-acétone (P di OH acétone) qui peut rejoindre directement la glycolyse.
Aldolase B
Fructose 1- P
GA + P di OH acétone
Glycéraldéhyde kinase
La Glycéraldéhyde kinase est une réaction enzymatique irréversible, nécessitant de l’ATP pour
phosphorylé le GA sur le carbone 3.
9
Glycéraldéhyde kinase
GA
3 PGA
ATP
ADP
Au niveau de l’hépatocyte le fructose est métabolisé plus vite que le glucose pour deux raisons :
* L’activité de la fructokinase est plus rapide que celle de la glucokinase
* Le 3PGA entre directement dans la glycolyse, échappant à la régulation de la PFK1, enzyme
clé de cette voie.
1.2.1.2 Métabolisme hépatique en fonction du statut hormonal
Suivant le statut hormonal du sujet (insuline/glucagon) le fructose entrera dans la
néoglucogenèse (Insuline/glucagon bas) ou dans la glycolyse Insuline/glucagon élevé).
1.2.1.2.1 Après un repas :
L’absorption concomitante de glucose active la sécrétion d’insuline, qui, à son tour active la
glycolyse.
Glucose
Fructokinase
Aldolase
Glycéraldéhyde kinase
Fructose
Fructose 1- P
Glycéraldéhyde
3 PGA
alimentaire
P di OH Acétone
Glycolyse
Métabolisme lipidique
Le 3 PGA entre directement dans la glycolyse, tandis que le 3 di OH acétone peut : soit, entrer dans la
glycolyse, soit, donner le glycérol phosphate nécessaire à la synthèse des triglycérides.
1.2.1.2.2 Lors du jeune ou d’un exercice physique
Lors du jeûne ou de l’exercice physique, quand la néoglucogenèse se trouve accélérée, le
fructose alimentaire devient un précurseur essentiel du glucose.
Glucose
Néoglucogenèse
Fructokinase
Aldolase
Glycéraldéhyde kinase
Fructose
Fructose 1- P
Glycéraldéhyde
3 PGA
alimentaire
P di OH Acétone
Glycolyse
Métabolisme lipidique
10
Néoglucogenèse+ + +
3 PGA +
P di OH Acétone
Fructose 1-6 diP
Fructose 6-P
Glucose 6-P
Glucose
L’utilisation de fructose pendant la compétition est un bon moyen d’épargner le glycogène
hépatique en limitant la glycogénolyse. Plusieurs expériences menées sur ce sujet ont confirmé cette
donnée.
1.2.2 Métabolisme périphérique
Lors de l’absorption « massive » de fructose, une fructosémie peut apparaître (La fructokinase
étant débordée, le fructose franchit l’hépatocyte et se déverse dans la circulation). Bien que l’affinité
de l’hexokinase musculaire soit dix fois plus faible pour ce sucre que pour le glucose, une fraction de
fructose peut être incorporée aux muscles, au rein, au tissu adipeux, aux hématies, sous forme de
fructose-6-P. Sa captation est très rapide (deux fois plus rapide que le glucose). Pour une charge de
0.5 g/Kg, la demi-vie du fructose plasmatique est de 18 minutes
Il s’agit d’une voie très minoritaire du fait de la faible affinité de l’hexokinase pour le fructose
par rapport à son affinité pour le glucose d’une part, mais surtout des très faibles taux de fructose
circulant d’autre part (la fructokinase hépatique empêchant pratiquement toute fructosémie). Seule
une quantité assez faible semble pouvoir être utilisée par les muscles squelettiques et les érythrocytes.
Au niveau tissu adipeux, l’existence d’un transporteur spécifique rend peut-être son utilisation
sensiblement plus importante. La faible quantité de fructose phosphorylé par cette voie rejoint
directement la glycolyse après phosphorylation en 6 du fructose par l’hexokinase.
De nombreuses expériences utilisant des injections intraveineuses de fructose ont pu montrer que le
fructose, quand il se trouvait dans le plasma à de très fortes concentrations (extra physiologiques),
pouvait être utilisé par le muscle au même titre que le glucose. Contrairement au galactose, le
fructose ne présente pas de toxicité cellulaire.
Contrairement à la galactosémie, la fructosémie n’est pas toxique. Le fructose peut alors être
phosphorylé par l’hexokinase des cellules périphériques (La phosphorylation par l’hexokinase ne
concerne que le métabolisme extra hépatique, muscles, adipocytes, érythrocytes).
L’hexokinase fixe un phosphoryle sur le carbone 6
Hexokinase
Fructose
ATP
Fructose 6 P
ADP
Contrairement au G-6-P, le F-6-P n’est pas inhibiteur de l’hexokinase. Cette absence de
régulation provoque une augmentation considérable du F-6-P qui, au niveau périphérique, risque
« d’emballer » la glycolyse, provoquant donc une formation importante d’acide pyruvique,
responsable d’une acidification du milieu. (L’absence de néoglucogenèse dans les tissus périphériques
oblige de Fructose-6-P à se diriger vers la glycolyse).
La formation de lactate au repos après ingestion massive de fructose est supérieure à celle
observée avec une dose équivalente de glucose. Ce phénomène peut s’expliquer par le court-circuit de
l’hexokinase qui n’est pas freinée le F-6-P.
11
--Hexokinase
Glucose
Glucose-6-P
Hexokinase
Fructose
Fructose-6-P
Glycolyse
Pyruvate
Lactate
Après une charge de 30 à 35 g de fructose la lactacidémie peut atteindre, au repos, dans
l’heure qui suit l’ingestion, le double de la concentration de repos.
Les charges de fructose ont été utilisées dans deux situations :
= Chez le diabétique avec l’espoir de court-circuiter le transporteur insulinodépendant
= Chez le sportif pour accélérer la glycolyse et produire plus de pyruvate
Dans les deux cas, l’augmentation de la lactacidémie a conduit à un échec, l’acidification de
la cellule avec décompensation chez le diabétique en coma hyperlactacidémique, et à la
rhabdomyolyse chez le sportif.
1.2.3 Rôle régulateur des fructokinases
Les produits issus des Phosphofructokinase 1 et 2 (Fructose 1-6 di P et Fructose 2-6
di P) assurent une fonction régulatrice par rétro inhibition pour le premier et de type covalente pour
le second (voir § régulation du métabolisme hépatique du glycogène).
12
1.3 GALACTOSE
Le galactose est un épimère du glucose essentiellement apporté à l’organisme par la
consommation des produits lactés.
CH2OH
OH
OH
O
OH
Galactose
OH
1.3.1 Phosphorylation
Le galactose est capté et phosphorylé au niveau hépatique par une enzyme spécifique, la
galactokinase. Une faible partie du galactose peut passer dans la circulation, mais la faible affinité de
l’hexokinase pour ce substrat ne permet pas une phosphorylation significative de ce sucre au niveau
musculaire.
Galactokinase
Galactose
Galactose 1 P
ATP
ADP
La galactose 1 P sera transformée en UDP galactose, puis en glucose, par deux voies différentes.
Cette enzyme est adaptative, son activité augmente lors de l’ingestion importante de galactose
ou plus généralement de lactose. Pendant les premières semaines de la vie, l’ingestion de lait peut
donc être à l’origine de troubles momentanés de la croissance, le temps que la concentration en
galactokinase hépatique soit suffisante pour métaboliser le galactose.
L’intolérance au galactose correspond à un déficit en galactokinase. Ce déficit a pour
effet de provoquer une augmentation de la galactosémie, responsable d’atteintes neurologiques
irréversibles.
1.3-2 Métabolisme du Galactose-1-P
Formation d’UDP Galactose et d’UDP Glucose
UTP galactose 1 P uridyl transférase
Galactose 1 P
UDP Galactose
UTP
P-P
hexose 1 P uridyl transférase
UDP Galactose
Galactose-1-P
Glucose 1 P
UDP Glucose
L’UDP galactose subit alors deux épimérisations successives pour donner de l’UDP glucose,
molécule utilisée pour la synthèse du glycogène.
Le galactose absorbé et phosphorylé au niveau hépatique, peut donc donner du G-1 P ou de
l’UDP glucose, c’est-à-dire les substrats pour la glycogénogenèse. Le galactose absorbé ne peut donc
pas être utilisé directement au niveau musculaire (pas de galactosémie), mais seulement après mise en
réserve sous forme de glycogène hépatique. Le galactose, outre ses capacités énergétiques étudiées cidessus, sert également à la synthèse du lait et à la constitution des glycoprotéines, des glycolipides et
13
des protéoglycanes (dans ces derniers cas le galactose utilisé est synthétisé dans la cellule, il ne
provient pas du galactose alimentaire).
1.4 MANNOSE
Le mannose est un épimère du glucose sur le carbone 2, il n’est pas phosphorylé au niveau du foie
(absence de mannose kinase) et passe dans la circulation ou il sera utilisé par les cellules
périphériques grâce à l’hexokinase.
CH2OH
OH
OH
O
OH
OH
Mannose
1.4.1 Phosphorylation
Le mannose est phosphorylé sur son carbone 6 en mannose 6 P grâce à l’hexokinase. Cette
non spécificité de la kinase, permet ainsi au mannose d’être utilisé par le muscle.
Hexokinase
Mannose
Mannose 6 - P
ATP
ADP
Le mannose 6 P est ensuite transformé en fructose 6 P et rejoint ainsi la glycolyse.
Mannose 6-P isomérase
Mannose 6 P
Fructose 6 P
14
II METABOLISME DU GLYCOGENE
Le glycogène est formé de chaînes alpha glucosidiques. Il s’agit d’holopolymères de glucose
qui, après purification se présente sous forme de grains de diverses dimensions. Onze à dix huit
molécules de glucoses sont liées entre elles en 1-4 pour former la partie linéaire de cette molécule
(amylose), et en 1-6 au niveau des ramifications (amylopectine). L’amylose est une molécule en hélice
de poids moléculaire variant de 600 à 6000 D, l’amylopectine est de poids moléculaire beaucoup plus
élevé (10 8 à 10 9 D).
Le glycogène est essentiellement présent dans le foie (80 à 100 g) et dans les muscles (200 à
400 g suivant l’importance de la masse musculaire et de l’entraînement).
Dans le foie, comme dans les muscles, le glycogène peut être synthétisé (glycogénogenèse) ou
dégradé pour redonner du glucose (glycogénolyse). Il s’agit dans un cas comme dans l’autre, de deux
voies métaboliques antiparallèles régulées par le statut hormonal du sujet. Les médiateurs
intracellulaires sont cependant différents dans le foie (fructose 2-6-diP) et dans le muscle
(calmoduline).
Le glycogène est la seule source de réserve en hydrates de carbone de l’organisme. Si le
glycogène musculaire ne peut être utilisé qu’in situ, du fait de l’impossibilité de redonner du glucose,
il n’en est pas de même au niveau du foie qui a la charge de maintenir la glycémie.
La synthèse du glycogène (glycogénogenèse) dans ces deux organes dépend en premier lieu
de la quantité de glycogène, et en second lieu de l’état hormonal du sujet. Elle ne pourra se réaliser
qu’en présence de stocks bas, hépatique (après un jeûne) ou musculaire (après un exercice).
L’utilisation du glycogène (glycogénolyse) répond aux mêmes nécessités, soit maintenir la
glycémie pour le foie, soit fournir des hydrates de carbone au métabolisme énergétique de la cellule
pour le muscle.
2.1. Glycogénogenèse
La glycogénogenèse synthétise, à partir du glucose-6-P, du glycogène, source principale des
réserves hydrocarbonées de l’organisme. Bien que cette filière soit commune à de nombreux tissus
(foie, muscle, rein …), la régulation est différente suivant la cellule concernée.
Le glucose provenant de la circulation (muscle) ou de l’alimentation (foie) est dans un
premier temps phosphorylé par la glucokinase (foie) ou l’hexokinase (muscle) puis converti en
glucose-1-P par la phosphoglucomutase.
Phosphoglucomutase
Glucose-6-P
Glucose-1-P
Le glucose-1-P est ensuite combiné à de l’UTP (uridine tri phosphate) pour donner de
l’uridine-di-P-glucose (UDPG). Le glucose fixé à l’UDPG peut alors être transféré sur un glucose
terminal d’une chaîne d’amylose (formant ainsi une nouvelle liaison 1-4. Cette réaction est catalysée
par a glycogène synthétase. La synthèse du glycogène est réalisée par le transfert de fragments
comprenant 6 à 7 glucoses, sur des carbones 6. Cette liaison est assurée par la transglycosylase.
La régulation de cette chaîne enzymatique est assurée par la glycogène synthétase dont il
existe deux formes : a et b. L’activation de la forme a, ou I des anglo-saxons, (forme active) est
indépendante du G-6-P alors que la forme b ou D (forme inactive), nécessite la présence de cette
molécule pour être active. Le passage de l’une à l’autre de ces formes est sous la dépendance de
15
différentes kinases (protéine kinase AMPc dépendante, glycogène synthétase kinase, caséine kinase,
calmoduline kinase) et d’une glycogène phosphatase qui réalise l’étape inverse (déphosphorylation).
La forme b, ou forme phosphorylée, est inactive quand les six sites sont phosphorylés. La forme a,
déphosphorylée, est active quand au moins trois sites sont libres.
Glycogène synthétase
Kinase
G-6-P
+++
ATP
ADP
Glycogène synthétase a
Glycogène synthétase b
(active)
(inactive)
Glycogène synthétase phosphatase
Phosphorylation des sites
Phosphorylation des sites
La glycogénogenèse hépatique se trouve ainsi sous l’effet d’une double régulation :
+ La présence obligatoire de G-6-P, pour que la glycogène synthétase soit
sous sa forme active, n’est effective qu’après un repas riche en sucres.
+ Le statut métabolique du sujet (insuline élevée, glucagon bas).
On notera que l’apport de fructose n’est que très faiblement stimulant puisque il ne donne que
relativement peu de G-6-P et que la décharge d’insuline est faible. Après un exercice physique
prolongé (stock de glycogène hépatique faible), ou après un jeûne (même état métabolique),
l’ingestion de fructose n’est donc pas le meilleur moyen de restaurer les réserves de glycogène
hépatique.
Au niveau musculaire on retrouve les deux mêmes systèmes, à noter simplement que le taux
de G-6-P ne peut être élevé qu’en présence d’insuline, c'est-à-dire lors de la période de récupération.
Dans ces deux organes, la glycogène synthétase se trouve freinée par son substrat (le glycogène),
donc par la réplétion des cellules.
2.2. Glycogénolyse
La glycogénolyse permet la dégradation in situ du glycogène de réserve pour donner du
G-1-P, puis du G-6-P.
Sa régulation est sous la dépendance des hormones gérant le métabolisme énergétique
(insuline, glucagon au niveau hépatique, adrénaline, insuline) et du calcium au niveau musculaire.
La glycogénolyse est réalisée par trois types d’enzymes :
La phosphorylase chargée de couper les liaisons 1-4,
La glucane transférase qui déplace des résidus glucoses des branches latérales sur la branche
principale (longueur minimale de 6 résidus)
L’enzyme débranchante qui scinde les liaisons 1-6.
16
La régulation de ce système est assurée au niveau de la phosphorylase qui constitue l’étape
limitante.
Phosphorylase
Glycogène (n – 1 glucoses) + G-1-P
Glycogène (n glucoses)
La phosphorylase peut se trouver sous forme active ou inactive suivant qu’elle est
phosphorylée (active) ou déphosphorylée (inactive), (On notera que c’est l’inverse de la glycogène
synthétase, qui est active quand elle est déphosphorylée).
Cette réaction est catalysée par la phosphorylase kinase qui elle aussi existe sous deux formes,
active ou inactive et la protéine phosphatase 1.
Glycogène phosphorylase a
(active )
Protéine phosphatase 1
Glycogène phosphorylase b
(inactive)
ADP
ATP
Phosphorylase kinase a
La phosphorylase kinase est elle même activée par une protéine kinase AMPc dépendante
(foie et muscle) ou la libération locale de Ca++ (muscle).
AMPc
+++
Protéine kinase
ATP
phosphorylase kinase
inactive
ADP
phosphorylase kinase
active
protéine phosphatase 1
Comme pour la glycogénogenèse, la protéine kinase active est sous la dépendance de l’AMPc
et des hormones régulant l’adénylcyclase (catécholamines, insuline, glucagon).
La protéine phosphatase 1 est également sous la dépendance de la protéine kinase active, mais
elle se trouve inhibée quand cette dernière est activée.
2.3. Régulations
Dans le foie et dans le muscle, les deux voies métaboliques (glycogénogenèse et
glycogénolyse) ne peuvent être activées en même temps, il s’agit d’un mode de régulation
covalent. Quand l’une est activée l’autre est nécessairement à l’arrêt complet, il n’existe pas de cycle
futile à ce niveau. A titre d’exemple nous traiterons de la glycogénolyse.
3.1 Glycogénolyse hépatique
La glycogénolyse hépatique est activée par les catécholamines circulantes et le glucagon.
Elle est inhibée par l’insuline (l’insuline inhibe l’Adénylcyclase active, empêchant la production
d’AMPc).
17
Adrénaline
Membrane
+++
Adénylcyclase
inactive
Adénylcyclase
active
++++
ATP
AMPc
++++
Protéine kinase
AMPc dépend. i
+++
Phosphorylase
inactive
(Déphosphorylée)
Protéine kinase
AMPc dépend. A
+++
Phosphorylase
active
(Phosphorylée)
Glycogène
Synthétase a
(Déphosphorylée)
Activation de la
Glycogénolyse
Glycogène
Synthétase b
(Phosphorylée)
Diminution de la
Glycogénogenèse
2.3.2 Glycogénolyse musculaire
La glycogénolyse musculaire est mise en route par le système à calmoduline, stimulé par la
libération du calcium cisternal lors des premières contractions musculaires, mais aussi par
l’augmentation des catécholamines plasmatiques.
Elle est inhibée par l’insuline.
Elle est insensible aux variations du glucagon du fait de l’absence de récepteurs)
Glycogène
Contraction
Insuline ++
Musculaire ++
Catéholamines ++
G-6-P
18
2.3.2.1 Système Ca++
Acte moteur volontaire
Stimulation des motoneurones
Libération de Ca++
Contraction musculaire
ATP
G-6-P
Protéine kinase
++++
Calmoduline dépendante
inactive
Protéine kinase
Calmoduline dépendante
active
++++
Phosphorylase
inactive
Phosphorylase
active
Activation de la
Glycogénolyse
Glycogène
Synthétase a
Glycogène
Synthétase b
Diminution de la
Glycogénogenèse
Lors de l’exercice physique, la vitesse de la glycogénolyse peut être multipliée plusieurs
centaines de fois. La libération locale de Ca++ des citernes cytoplasmiques induit l’activation de la
phosphorylase kinase et, par voie de conséquence, la stimulation de la phosphorylase (voir schéma cidessus).
Cette activation se fait sous l’action de la calmoduline (molécule ayant la même structure que
la fraction bêta de la phosphorylase kinase).
La libération de calcium issu des citernes cytoplasmiques lors de la contraction musculaire
active la phosphorylase kinase par le biais de la calmoduline (constituant de cette enzyme). Cette
activation permet d’accélérer le processus de dégradation du glycogène en favorisant la
transformation de la glycogène phosphorylase de sa forme inactive en forme active.
Au repos, 13 à 15 % de cette enzyme se trouve sous forme active, après seulement 5 secondes
de stimulation cette valeur peut dépasser 50 % de forme active.
Dès les premières contractions musculaires, la glycogénolyse est spontanément activée, avant
même que les catécholamines ne modifient leur concentration locale. La glycogénolyse musculaire se
trouve donc toujours être « en avance » sur la glycogénolyse hépatique. L’activation de la dégradation
du glycogène se trouve également potentialisée par la baisse locale d’ATP et de G-6-P tandis que
l’AMP augmente (activation de la phosphorylase b).
19
2.3.2.2 Chronologie de la mise en route de la glycogénolyse musculaire
1. Stimulation nerveuse et libération de calcium (système calmoduline).
2. Diminution du rapport ATP/AMP et du G-6-P (activation allostérique).
3. Augmentation des catécholamines circulantes (système AMPc).
2.4. Métabolisme du glycogène
2.4.1. Métabolisme du glycogène au repos
A distance d’un repas
Le glycogène hépatique est dégradé en glucose pour maintenir la glycémie.
La diminution de la glycémie (hypoglycémie), provoque une augmentation du glucagon
plasmatique qui active la glycogénolyse. Du fait de la régulation covalente, la glycogénogenèse est
stoppée.
La cellule musculaire ne disposant pas de récepteur à glucagon est insensible à ce type
de régulation, le muscle étant au repos, la glycogénolyse n’est pas activée.
Après un repas
L’absorption des hydrates de carbone, provoque une hyperglycémie transitoire qui a
pour effet d’augmenter la sécrétion d’insuline et de freiner celle du glucagon.
Au niveau hépatique
L’hyperinsulinisme stimule la glycogénogenèse hépatique, tandis que la glycogénolyse
est stoppée. Les réserves de glycogène sont en cours de reconstitution.
Veine porte
Foie
Circulation
Pancréas
Glycogène
GK
Glucose
G-6-P
Glucose
Glucose
Insuline
Les stocks de glycogène peuvent être modulés par la richesse relative de l’alimentation en
hydrates de carbone. Une nourriture riche en glucose permet la constitution d’un stock important de
glycogène (150 à 200 g/kg de tissu hépatique).
Une seule journée de régime sans sucre suffit à faire chuter la quantité de glycogène
hépatique à 10 g/kg de tissu hépatique.
20
Au niveau musculaire
Au niveau musculaire, l’augmentation de l’insulinémie stimule la pénétration du glucose
dans les cellules, et active la glycogénogenèse. Cependant, ce mécanisme n’est effectif que si les
réserves de glycogène musculaire sont basses.
Veine porte
Foie
Glycogène
Circulation
Pancréas
Muscle
Glycogène
Insuline
GK
Glucose
HK - - G-6-P
Glucose
Glucose
G-6-P
Pénétration dans
la cellule
Les réserves en glycogène peuvent être reconstituées, mais elles ne pourront pas « dépasser »
le taux de remplissage moyen du muscle du fait d’une rétro-inhibition. Pour que ce mécanisme puisse
dépasser les concentrations initiales en glycogène (surcompensation), il faut nécessairement que le
muscle ait été « vidé » d’une partie de son glycogène de réserve (exercice physique).
2.4.2 Métabolisme du glycogène pendant l’exercice physique
Pendant la pratique d’un exercice physique, la glycogénogenèse musculaire et hépatique sont
inhibées, tandis que la glycogénolyse est activée par les catécholamines.
Il est important de noter que les catécholamines sont inhibitrices de la sécrétion
d’insuline pancréatique +++
Catécholamines
Glycogène
Insuline - - -
+++
Glycogénolyse
Glycogénogenèse
G-6-P
Du fait de l’absence de G-6-P phosphatase, le glycogène musculaire, contrairement à celui
stocké dans le foie, ne peut être utilisé « qu’in situ ».
Pendant l’exercice, la consommation de glycogène ne concernera donc que les muscles actifs. Les
autres groupes musculaires moins ou peu stimulés, conserveront leurs réserves glycogéniques sans
pouvoir venir en aide à ceux qui ont épuisé leurs stocks.
21
Exercice musculaire
Catécholamines
Veine porte
Foie
Pancréas
Glycogène
Glycogène
+++
Insuline
GK
Glucose
Muscle
++
HK - - -
G-6-P
--Glycolyse
Glucose
Glucose
Pénétration dans
la cellule sans insuline
G-6-P
++
Glycolyse
Ainsi pendant un exercice prolongé de course, seulement 55 à 60 % (500 à 550 g) du stock
glycogénique musculaire total (800 à 900 g) est utilisé. Ce chiffre tombe à 35-40 % pour les exercices
comme le cyclisme qui ne fait intervenir qu’un nombre limité de muscles.
Tout effort tend à diminuer les réserves de glycogène musculaire (Nle 80 à 130 mmol/kg).
Cependant, la vitesse de dégradation dépend de très nombreux paramètres dont les plus importants
sont l’intensité de l’exercice, le niveau d’entraînement du sportif, la durée de l’effort et le type
d’alimentation utilisée par le sujet
22
III GLYCOLYSE
La glycolyse est une chaîne enzymatique qui permet la dégradation du Glucose-6-P en
pyruvate. Elle est présente dans le cytoplasme de toutes les cellules de l’organisme, y compris les
érythrocytes. Elle permet, même en l’absence d’oxygène, la synthèse de deux ATP, d’où son
appellation de « voie anaérobie ».
Il est habituel de donner pour origine à cette chaîne le G-6-P, c’est-à-dire le glucose déjà
phosphorylé par l’hexokinase ou la glucokinase, ou provenant de la dégradation du glycogène.
3.1. Chaîne glycolytique
La première réaction consiste à isomériser le G-6-P en F-6-P. Cette transformation facilitera la
scission hydrolytique de la troisième réaction.
3.1.1 Isomérisation du glucose-6-P en fructose-6-P
Isomérase
Glucose-6-P
Fructose-6-P
Il s’agit d’une réaction réversible qui marche dans le sens « Glucose
niveau musculaire, mais peut s’inverser dans le foie, lors de la néoglucogenèse.
Fructose » au
3.1.2 Phosphorylation
La phosphofructokinase 1 permet la fixation d’une liaison phosphate riche en énergie sur le
carbone 1 du Fructose.
La phosphofructokinase 1 est une enzyme allostérique ubiquitaire (retrouvée dans toutes les
cellules de l’organisme) responsable de la fixation d’un phosphate riche en énergie sur le Fructose 6
phosphate (F 6 P). Il s’agit d’une kinase irréversible.
Phosphofructokinase 1
Fructose 1-6 diP
Mg++
Fructose-6-P
ATP
ADP
C’est l’enzyme clé de la glycolyse. Comme telle, elle est soumise à de très nombreuses
régulations, hormones du métabolisme énergétique (glucagon, catécholamines, insuline ...), produits
de la glycolyse (citrate, ATP, H+, 2-3 DPG). Ces régulations sont différentes suivant le type de
cellule concernée.
Foie :
Glucagon, catécholamines, insuline, citrate
Muscle :
Catécholamines, insuline, ATP, H+, citrate
Erythrocyte : H+, 2-3 DPG
La vitesse catalytique de la PFK1, en dehors de toute stimulation, n’est que de quelques pour
cent de sa vitesse maximale théorique.
Au niveau hépatique
Au niveau hépatique la PFK 1 est essentiellement régulée par un système covalent, et à un
moindre niveau par le système allostérique.
23
* Régulation covalente
La PFK1 est activée par le Fructose 2-6 P via l’AMPc. Cette régulation est sous la
dépendance du glucagon, des catécholamines et de l’insuline. L’augmentation de la concentration
d’AMPc, inhibe la PFK2
Le F-2-6 P est obtenu grâce à l’action de la PFK2 qui fixe une liaison riche en énergie sur le
carbone 2 du F-6-P.
Catécholamine
Glucagon
+++
AMP Cyclase
ATP
F-6-P
AMPc
--PFK2
F-2-6-P
PFK1
F-6-P
F-1-6-P
Les catécholamines et le glucagon freinent la glycolyse hépatique
Insuline
--AMP Cyclase
ATP
AMPc
F-6-P
+++
PFK2
F-2-6-P
+++
PFK1
F-6-P
F-1-6-P
L’insuline est un activateur de la glycolyse hépatique
Toute augmentation de l’AMPc freine la synthèse de fructose 2-6 di P, via l’inhibition de la
PFK2, donc la vitesse de la glycolyse (c’est le cas pour les catécholamines et le glucagon).
Inversement, l’insuline, en diminuant le taux d’AMPc intracytoplasmique, accélère la vitesse de la
glycolyse hépatique.
* Régulation allostérique
Elle joue un rôle moins important au niveau hépatique que la régulation covalente. La PFK 1
est activée par le fructose 6 P, les phosphates inorganique, l’alcalose (NH4). Elle est inhibée par le
citrate, l’ATP et l’acidose (ces deux derniers effecteurs sont peu modifiés au niveau hépatique).
* Régulation de synthèse
L’insuline est responsable d’une induction de synthèse de cette enzyme.
24
Au niveau musculaire
* Régulation covalente
Il n’existe pas de régulation covalente de la glycolyse musculaire. En effet dans ces
cellules il n’existe pas de voie inverse (néoglucogenèse).
* Régulation allostérique
La PFK 1 présente une sensibilité très importante au rapport ATP/AMP et au pH local, c’està-dire aux niveaux énergétique et acide. Les régulateurs allostériques sont identiques à ceux de la
cellule hépatique. L’augmentation de l’AMP ou du NADH2 accélère son activité.
La PFK1 également régulés par d’autres produits métaboliques du cycle de Krebs et de la
chaîne respiratoire. Elle est inhibée par l’augmentation du citrate, de l’ATP et des ions H+ (acidose).
L’inhibition de la PFK 1 provoque une accumulation de fructose 6 P et de glucose 6 P qui freine
l’hexokinase.
Régulation allostérique de la PFK1
--HK
G–6–P
G
F–6–P--PFK1
F–1–6P
Pyruvate (H+)
Cycle de Krebs
Citrate
ATP
* Régulation de synthèse
Comme au niveau hépatique la sécrétion répétée d’insuline induit une synthèse de PFK 1.
3.1.3 Scission aldolasique du fructose
L’aldolase A est une enzyme ubiquitaire qui permet la scission du fructose 1-6 di P en deux
trioses phosphate, le 3 phosphoglycéraldéhyde et le Phospho di hydroxyacétone.
Il s’agit d’une enzyme réversible qui participe dans un sens à la glycolyse et dans l’autre sens
à la néoglucogenèse.
Aldolase A
Fructose 1-6 di P
P di OH acétone + 3 PGA
Mg++
25
La présence de Magnésium est indispensable à l’activité de cette enzyme.
3.1.4 Isomérisation du P di hydroxyacétone en 3 PGA
Cette réaction réversible permet le passage du 3PGA au Phospho Di Hydroxyacétone et
inversement.
Triose phosphate isomérase
P di hydroxyacétone
3 P glycéraldéhyde
Il s’agit d’un carrefour métabolique essentiel entre :
La glycolyse (utilisation du 3PGA),
La voie de synthèse des triglycérides (P di hydroxyacétone),
La partie réversible de la voie des pentoses (3PGA)
3.1.5 Déshydrogénation du 3PGA
Cette réaction réversible permet l’incorporation d’un phosphate inorganique au 3 PGA en
position 1.
Glycéraldéhyde 3P déshydrogénase
3 PGA
1-3 di phosphoglycérate
Pi
NAD
NADH2
La contrainte stéréochimique provoquée par la déshydrogénation de la molécule permet la
création d’une liaison riche en énergie libérée au niveau du carbone 1.
C’est la seule réaction de «création» d’énergie de la glycolyse à partir d’une molécule de
substrat.
A noter qu’au plan chimique, le départ des 2 protons a changé l’aldéhyde en acide.
3.1.6 Transfert d’un groupement P riche en énergie
La Phosphoglycérate kinase transforme l’Acide 1-3 di P Glycérique (ou glycérate) en Acide 3
phosphoglycérique (3 Phosphoglycérate). Elle permet la récupération d’une liaison riche en énergie
(formation d’un ATP)
Il s’agit d’une kinase réversible.
Au niveau musculaire, cette réaction, bien que réversible, ne fonctionne que dans un sens,
celui de la récupération du phosphate riche en énergie formé par la réaction précédente sur le premier
carbone.
Au niveau hépatique, cette réaction peut, du fait d’un delta G°’ faible, fonctionner dans les
deux sens suivant qu’il s’agit de la glycolyse ou de la néoglucogenèse.
26
Phosphoglycérate kinase
1-3 di P glycérate
3 Phosphoglycérate
ADP
ATP
La vitesse de cette réaction est régulée par le rapport ATP/ADP dans le cytoplasme de la
cellule.
1.3.7 Isomérisation du P en 2
Il s’agit d’une réaction réversible qui transfert le phosphate riche en énergie situé sur le
carbone 3 en 2.
Phosphoglycérate mutase
3 Phosphoglycérate
2 Phosphoglycérate
Le positionnement du Phosphate en 2, permet de faciliter la récupération ultérieure de la
liaison riche en énergie.
1.3.8 Création d’une fonction énole
La déshydratation réversible de la molécule (départ d’une molécule d’eau) provoque la
création d’une double liaison (radical énole).
Enolase
2 Phosphoglycérate
Phospho-énol pyruvate + H20
Ces deux dernières réactions sont simultanées, il s’agit d’une tautomérie céto-énolique.
1.3.9 Transfert du groupement phosphate sur un ADP
La dernière réaction de la glycolyse consiste à « récupérer » la dernière liaison riche en
énergie. Cette opération est réalisée avec une enzyme irréversible, la Pyruvate kinase.
Pyruvate kinase
P.E.P.
ADP
Acide pyruvique
CH3-CO-COOH
ATP
Cette enzyme irréversible présente une structure différente dans le foie où elle est
polymérique et donc modulable par allostérie, et dans le muscle où elle est monomérique et de ce fait
non régulable.
Dans la cellule hépatique la PK est fortement activée par le F-1-6 di P.
3.2. Bilan de la glycolyse
Chaque molécule de glucose étant scindée en deux trioses, le bilan de la glycolyse doit être
multiplié par deux :
27
Pour une molécule de glucose transformée en Pyruvate le bilan est de :
- 2 ATP
- 2 Pyruvate
- 2 NADH2
Soit pour 2876 kJ (valeur d’une mol de glucose brûlée dans une bombe calorifuge) :
+ 60 kJ sous forme d’ATP,
+ 1312 kJ par mol d’acide lactique (soit 2625 kJ)
+ 190 kJ perdus sous forme de chaleur.
Le bilan atépéasique est donc extrêmement faible (60 kJ/2876 kJ = 2%).
La perte calorique constitue quant à elle une quantité non négligeable: 7%
La majorité de l’énergie initiale est donc contenus dans l’acide pyruvique (91%) qui pourra
entrer dans le cycle de Krebs ou donner de l’acide lactique.
3.3. Régulation de la glycolyse
La régulation de la chaîne glycolytique est différente suivant le type de cellule considérée.
Elle est réalisée à trois niveaux, la régulation covalente au niveau du foie, un contrôle allostérique
et la régulation de synthèse des enzymes clés dans l’ensemble des cellules.
3.3.1 Glycolyse hépatique
* Régulation covalente
= PFK 1
La glycolyse hépatique présente la particularité de pouvoir être pratiquement stoppée sous
l’effet du glucagon et des catécholamines pour permettre la voie inverse, c’est-à-dire la
néoglucogenèse. Cette régulation particulière porte sur la PFK 1 dont le principal activateur est le
Fructose 2-6 di phosphate (le taux est régulé par l’AMPc et une protéine).
La synthèse du F 2-6 P est réalisée à partir de F 6 P par la phosphofructokinase 2 (PFK 2)
PFK2
Fructose 6 P
ATP
Fructose 2-6 P
ADP
Régulateur : AMPc (l’augmentation de l’AMPc cytosolique freine la réaction)
Le fructose 2-6 di phosphate est un régulateur essentiel du métabolisme hépatique. Dans
cette cellule, il est activateur de la PFK 1, et inhibiteur de la fructose 1-6 di phosphatase. Il
contrôle ainsi l’équilibre entre la glycolyse et la néoglucogenèse hépatique.
La production et/ou la dégradation du F 2-6 P est sous le contrôle d’une protéine kinase
régulée par l’AMP cyclique. A ce niveau l’adénylcyclase est stimulée par le glucagon mais inhibée
par l’insuline (les alpha adrénergiques et la vasopressine ne présentent aucun effet sur ce système).
28
L’augmentation de l’AMP c dans la cellule hépatique provoque une inhibition de la PFK 2 et
une activation de la FdiPase 2, donc une diminution du F 2-6 di P. Le rapport d’activités PKF 2/
FdiPase 2 qui est de 1 se trouve multiplié par 2 (valeur intermédiaire montrant le caractère
bidirectionnel de cette régulation).
Glucagon
++++
AMP c
+++
Protéine kinase
F6P
-----
F6P
++++
PFK 2
F di P ase
F26P
++++
F26P
Toute augmentation de l’AMPc conduit à une diminution de la concentration locale en
Fructose 2-6 di P, et freine ainsi la PFK 1. Le glucagon et l’adrénaline jouent par cet intermédiaire des
rôles essentiels de freinateurs. Un effet inverse peut être observé avec l’insuline.
Lors de l’exercice musculaire, l’augmentation considérable des catécholamines, couplée
à la diminution de l’insulinémie, provoque une inhibition totale de la glycolyse hépatique.
= PK
La PK hépatique existe sous deux formes phosphorylée (inactive) et non phosphorylée
(active). La stimulation de la protéine kinase par l’adrénaline et/ou le glucagon provoque une
diminution de la PK active et freine ainsi la dernière réaction de la glycolyse.
Glucagon
Catécholamines Insuline
Protéine kinase
inactive
++++
---
Protéine kinase
active
++++
PK Active
Non phosphorylée
PEP
PK Inactive
phosphorylée
Pyruvate
Pendant l’exercice physique la PK hépatique est donc totalement inhibée.
* Régulations allostériques
= PFK 1
La PFK hépatique, comme la PFK musculaire, est sensible aux variations du citrate, des
protons et de la concentration en ATP local. Les variations de concentrations de ces métabolites étant
29
relativement modestes au niveau hépatique pendant l’exercice physique, la régulation allostérique
joue un rôle moindre, comparée à la régulation covalente.
= PK
Outre la PFK 1, la glycolyse hépatique et également régulée au niveau de la pyruvate kinase
(de type L) par le fructose 1-6 di P et le PEP (phospho énol-pyruvate) qui jouent un rôle d’activateur,
et inhibée par l’ATP et l’alanine.
Lors de l’exercice physique, les fortes concentrations d’alanine et la diminution de la
concentration cytosolique en F-1-6 di P freinent l’activité de la PK
G-6-P
Régulations allostériques
de la glycolyse hépatique
F-6-P
--PFK1
F-1-6 di P
PEP
+++
+++
Pyruvate kinase
---
ATP
Alanine
Acide pyruvique
Acétyl CoA
Citrates
Acides gras
* Régulation de synthèse
La PFK 1 et la PK font également l’objet d’une régulation de synthèse. La transcription de
leurs gènes est stimulée par l’insuline et les régimes riches en glucides. Cette induction de synthèse
commence à être effective après deux heures.
3.2 Glycolyse musculaire
La régulation glycolytique musculaire est essentiellement réalisée au niveau de la
phosphofructokinase, (réaction la plus lente de la chaîne), et plus modestement par la 3 PGA
déshydrogénase et la phosphoglycérate kinase.
= PFK 1
La vitesse d’hydrolyse de la PFK 1 musculaire est régie uniquement par le système allostérique.
Les principaux activateurs sont :
* un rapport ATP/ADP bas, ou AMP élevé
Les principaux inhibiteurs sont :
* le citrate
* un taux élevé de créatine phosphate
* une concentration élevée de protons (acidose cellulaire)
* un rapport ATP/ADP élevé.
30
Au début de l’exercice, la baisse de l’ATP active la PFK1. Si l’exercice se prolonge et que la
concentration de pyruvate de vient suffisamment importante pour provoquer une baisse du pH la
PFK1 est alors freinée.
= 3 PGA
La 3 PGA déshydrogénase, bien que réversible, se trouve régulée par la concentration locale
du NAD. La diminution de ce coenzyme limite la vitesse de la réaction. Le rapport NAD/NADH2
cytosolique est un puissant régulateur de la glycolyse.
= Phosphoglycérate kinase
La vitesse de la phosphoglycérate kinase est fonction du rapport ATP/ADP, toute diminution
de ce rapport accélère la vitesse de la réaction.
= PK
La Pyruvate kinase (PK) de type musculaire (M) est une enzyme monomérique non régulée de
manière covalente. La PK (M) n’est pas sensible à l’effet activateur du fructose 1-6 di P. Une
inhibition de cette enzyme, productrice d’énergie et de pyruvate serait un handicap pour les cellules
musculaires contrairement aux cellules hépatiques où cette régulation est indispensable au bon
fonctionnement de la néoglucogenèse. Toute diminution du rapport ATP/ADP augmente la vitesse de
cette enzyme.
Début de l’exercice
musculaire
G-6-P
Augmentation de
l’intensité de l’exercice
F-6-P
G-6-P
F-6-P
PFK 1
++++
PFK 1
--F1-6 di P
F-1-6-diP
NAD
3PGA
3PG Déshydrogénase
NADH2
3P Glycérate kinase
Ac. 1-3 PG
+++
Ac. 3 PG
PEP
++++
Pyruvate kinase
Ac. Pyruvique
ATP
Diminution de la
concentration d’ATP
H+
Acide pyruvique
Acidose cellulaire
31
La cellule musculaire ne disposant pas de système tampon très efficace, l’augmentation
de la concentration d’acide pyruvique provoque une baisse importante du pH (pouvant être
inférieure à 6). La freination de la PFK1 dans ces conditions apparaît comme un moyen de
sauvegarde de la cellule en activité.
3.3.3 Glycolyse érythrocytaire
La glycolyse érythrocytaire présente la particularité de ne pas être suivie par un cycle
tricarboxylique et de posséder une dérivation du 1-3 P glycérate vers le 2-3 P glycérate (voir 2-3
DPG)
L’hématie ne possédant plus de noyau, il n’existe pas de possibilité de régulation de
synthèse.
= PFK 1
La PFK1 est l’enzyme clé de la glycolyse érythrocytaire. Elle est activée par l’augmentation
de la concentration en AMP et l’alcalose et inhibée par la concentration locale en proton et en
2-3 DPG.
Les concentrations en créatine phosphate en citrate de l’érythrocyte étant pratiquement nulles
(pas de cycle de Krebs) ces deux métabolites ne jouent pas de fonction régulatrice.
= 3 PGA
La 3 P glycérate kinase est régulée d’une façon originale. Si le taux de 2-3 DPG vient à
baisser, le shunt se réalise au profit du 2-3 DPG, court-circuitant ainsi la formation d’un ATP. Si au
contraire le besoin énergétique est important (rapport ATP/ADP bas), la 3 P glycérate kinase sera
stimulée.
= PK
Elle est freinée par le 2-3 DPG. Lors de la montée rapide en altitude (sports d'hiver) l’alcalose
respiratoire provoque une activation de la PFK 1 et une augmentation de la synthèse du 2-3 DPG.
Fructose 6P
Diminution
de a PaO2
polypnée
( de l’oxygène dissout)
Alcalose
respiratoire
PFK1
+++
F 1 6 di P
Fixation du 2 3 DPG
sur l’hémoglobine
--
1-3 DPG
ADP
3P Glycérate kinase
ATP
3 PG
ADP
Isomérase
2-3 DPG
Phosphatase
Diminution de l’affinité
l’oxygène
--PK
ATP
Pyruvate
32
La diminution de la pression partielle en oxygène due à l’altitude entraîne une baisse de la
pression partielle alvéolaire et de la PaO2 (fraction dissoute de l’oxygène). Parallèlement l’affinité de
l’hémoglobine permet de maintenir un taux de saturation en oxygène strictement normal.
La baisse de l’oxygène dissout stimule les centres respiratoires et accélère la ventilation.
L’élimination massive de CO2 par le poumon crée rapidement une alcalose qui accélère, via la PFK1,
la glycolyse et sa voie de dérivation la 1-3 DPG isomérase.
33
IV METABOLISME DE L’ACIDE PYRUVIQUE
L’acide pyruvique est un carrefour métabolique situé entre le métabolisme glucidique et celui
des acides aminés. Dans l’organisme humain il ne peut avoir pour origine un acide gras,
interdisant ainsi la synthèse de glucides à par des graisses.
4.1 Formule
CH3-CO-COOH
L’absence de phosphate riche en énergie dans sa formule permet à ce métabolite un
franchissement aisé des membranes. Sa concentration plasmatique reste néanmoins très faible du fait
de son utilisation immédiate dans la cellule.
4.2 Métabolisme
L’acide pyruvique est synthétisé par toutes les cellules de l’organisme à partir de la glycolyse,
sa valeur énergétique est de 15 ATP. Dans certaines cellules (hépatiques, cardiaques, rénales ...) le
pyruvate peut avoir pour origine l’oxydation de l’acide lactique. Enfin, au niveau du muscle, du foie
et du rein, six acides aminés sont susceptibles de donner du pyruvate (l’alanine, la cystéine, la glycine,
la sérine, la thréonine et l’hydroxyproline).
L’utilisation du pyruvate peut se faire par décarboxylation en acétyl CoA dans toutes les
cellules présentant des mitochondries, par carboxylation en oxaloacétate au niveau du foie et du rein,
du muscle et du cœur, ou par transformation en acide lactique dans l’ensemble des cellules
(principalement dans les cellules musculaires, adipeuses érythrocytaires).
Glucose
Lactate
Pyruvate
OA
Alanine
Acétyl CoA
Dans toutes les cellules le pyruvate franchit les membranes cellulaires de façon passive.
Au niveau de la mitochondrie hépatique la forme non ionisée traverse la membrane mitochondriale
de façon passive, la forme ionisée utilise un transporteur membranaire couplé au passage des corps
cétoniques (pénétration du pyruvate -- libération de corps cétoniques).
Il est important de noter que le temps de diffusion des molécules vers les mitochondries est un
facteur limitant lors des exercices musculaires intenses.
4.2.1 Produit ultime de la glycolyse
La Pyruvate kinase est une enzyme irréversible nécessitant la présence de Mg++. Elle permet
la formation d’un ATP à partir du phosphate «riche en énergie» fixé sur le carbone 2 du
phosphoénolpyruvate (PEP). Cette réaction cytoplasmique est présente dans toutes les cellules y
compris les érythrocytes.
34
Au niveau hépatique elle est régulée de façon allostérique par la concentration locale en
fructose 1-6 P, qui est un puissant activateur de la réaction, et de façon covalente par le glucagon et
l’insuline. Au niveau musculaire cette enzyme n’est pas régulée de façon allostérique
(monomérique) mais par le flux de PEP issu de la glycolyse, c’est-à-dire par la vitesse de la PFK 1 et
par le rapport ATP/ADP.
Pyruvate kinase
Phosphoénolpyruvate
Pyruvate
ADP
ATP
La Pyruvate kinase est l’objet d’une régulation de synthèse par l’insuline comme la PFK 1.
Au niveau musculaire
Dès le début de l’exercice physique la vitesse de cette réaction augmente très rapidement du
fait de la baisse du rapport ATP/ADP (accélération de la PFK 1 et du flux de PEP).
Lors de la pratique d’exercices épuisants générateurs d’acidose, sa vitesse se trouve limitée du
fait de la freination de la PFK 1 par l’acidose.
G
PEP
PK
Lactate
Pyruvate
Voie anaérobie lactique
Acétyl CoA
Cycle de Krebs
Voie aérobie
Les cellules de type I (lentes) très richement pourvues en mitochondries privilégieront la voie
dite « aérobie »
Les cellules de type II (rapides), utiliseront plus facilement la voie de l’acide lactique, dite « voie
anaérobie lactique ».
Au niveau hépatique
a) Après un repas :
L’apport important d’hydrates de carbones accélère la glycolyse hépatique. La formation de
pyruvate est alors très importante et apparaît comme le passage obligatoire pour la synthèse des
acides gras hépatiques
Glucose
Fructose
AG
TG
Circulation
Pyruvate déshydrogénase
Pyruvate
Acétyl CoA
35
b) Lors d’un exercice physique la PK hépatique est l’objet d’une double inhibition
La freination de la PFK1 par l’acidose métabolique (acide lactique provenant des
muscles) et la baisse du taux d’insuline plasmatique, tendent à diminuer la concentration de son
produit le F 1-6 P. La baisse de cet activateur est suffisante pour pratiquement arrêter la réaction.
L’augmentation des catécholamines plasmatiques est à l’origine d’une stimulation de la
protéine kinase et d’une phosphorylation inhibitrice de la pyruvate kinase.
Cette double inhibition est responsable d’un arrêt de la glycolyse et d’une épargne du
glycogène hépatique. Le pyruvate présent dans le foie provient alors, soit du lactate (cycle de Cori),
soit de l’alanine libérée en grande quantité par les muscles actifs. Le pyruvate devient dans ces
conditions un intermédiaire essentiel de la néoglucogenèse.
G-6-P
Catécholamines
--Insuline
F-6-P
--PFK1
F-1-6-diP
PEP
++
--Pyruvate kinase
Néoglucogenèse
4.2.2
Pyruvate
Acide lactique
Provenant des muscles
Producteur d’Acétyl CoA
La pyruvate déshydrogénase est une enzyme ubiquitaire, présente dans toutes les cellules
possédant des mitochondries. Il s’agit d’une décarboxylation oxydative qui transforme le pyruvate
en Acétyl CoA. Elle est irréversible (c’est d’ailleurs pour cette raison qu’il est impossible de
synthétiser des glucides à partir des acides gras).
HS-CoA Vitamine B1
Pyruvate
Acétyl CoA + CO2
NAD
NADH2
= Métabolisme hépatique
Au niveau du foie, la décarboxylation du pyruvate en Acétyl CoA constitue la première étape
de la lipogenèse. Ce mécanisme est mis en route lors de l’ingestion itérative de glucides. Les
décharges d’insuline stimulent la l’Acétyl CoA Carboxylase, enzyme clé de la lipogenèse, activée
par l’insuline.
36
Glucose
Insuline
Glucagon
+++
--Pyruvate
Acétyl CoA
Déshydrogénase
Carboxylase
Pyruvate
Acétyl CoA
Malonyl CoA
Acides Gras
Contrairement à un certain nombre d’idées reçues, et malheureusement toujours
enseignées, cette voie métabolique n’est pas accessoire chez l’homme. Elle est à l’origine des
hyper- triglycéridémies et des obésités aux hydrates de carbone.
= Métabolisme musculaire
Lors des exercices pratiqués en aérobie, les catécholamines activent la Triglycéride lipase
intra adipocytaire. Les acides gras libérés sont alors captés par les muscles en activité et soumis à la
bêta oxydation. Les Acétyl CoA formés inhibent la Pyruvate déshydrogénase (freinée par son
produit), épargnant ainsi le pyruvate et par voie de conséquence le glucose et le glycogène
musculaire.
Glucose
Pyruvate
Acides gras
NAD
Pyruvate déshydrogénase
--NADH2
Bêta oxydation
Acétyl CoA
Compte tenu du pouvoir énergétique important des acides gras, il est toujours intéressant
programmer des entraînements susceptibles d’améliorer l’utilisation des lipides. Ce résultat est
obtenu en augmentant la VO2Max du sportif.
Quand les capacités maximales de la chaîne respiratoire sont atteintes, l’augmentation locale
des Acétyl CoA et l’augmentation du rapport NADH2/NAD, freinent l’activité de la Pyruvate
déshydrogénase. Le pyruvate est alors métabolisé en acide lactique.
4.2.3
Producteur d’oxaloacétate
La Pyruvate carboxykinase, ou Pyruvate carboxylase est une enzyme irréversible,
mitochondriale, chargée de former de l’oxaloacétate à partir du pyruvate.
Cette réaction relativement complexe requiert de l’énergie, du bicarbonate et une vitamine, la
Biotine. Le CO2 fixé sur le groupement méthyle de l’acide pyruvique provient de la carboxybiotine
formée à partir d’un CO2 et d’une molécule de biotine (vitamine B 8). Cette réaction hydrolyse une
molécule d’ATP
37
Pyruvate carboxylase
CO2 + Biotine
Carboxybiotine
ATP
ADP
Soit de façon schématique
Pyruvate carboxylase
Pyruvate
Biotine - CO2
ATP
Oxaloacétate
Biotine
ADP
4.2.3.1 Dans le foie
La Pyruvate carboxykinase, ou Pyruvate carboxylase hépatique, est une enzyme chargée de
contourner la première étape irréversible de la néoglucogenèse (aucune autre enzyme n’étant capable
de redonner du PEP à partir du pyruvate, la cellule hépatique se trouve dans l’obligation de former de
l’oxaloacétate pour contourner cette difficulté et initier la néoglucogenèse).
Lactate
Pyruvate
Alanine
Pyruvate carboxykinase
Néoglucogenèse
Malate
Oxaloacétate
Mitochondrie
4.2.3.2 Dans le muscle
Cette enzyme, dont la présence a été longtemps controversée dans le muscle, semble jouer un
rôle régulateur important lors de l’activité physique prolongée en fournissant au cycle tricarboxylique
de l’oxaloacétate destiné à la formation d’acide citrique.
Pyruvate
AG
Pyruvate carboxykinase
Citrate synthétase
Oxaloacétate + Acétyl CoA
Citrate
Cette réaction donne d’autre part toute sa valeur à la maxime célèbre :
« Les lipides brûlent au feu des hydrates de carbone ».
Régulation de la pyruvate carboxylase
Il s’agit d’une enzyme allostérique activée par l’Acétyl CoA. Un apport suffisant en acétyl
CoA d’origine lipidique permet : d’une part, de freiner la Pyruvate déshydrogénase, et d’autre part
de stimuler cette enzyme pour orienter le métabolisme du pyruvate vers l’oxaloacétate.
38
Dans le foie, cette enzyme joue un rôle clé lors du jeûne. L’arrivée massive
d’alanine, provenant du catabolisme musculaire, et d’acides gras originaires des adipocytes,
engendrent une forte stimulation de la pyruvate carboxylase (ou carboxykinase), première étape de la
néoglucogenèse. Elle est activée par le cortisol.
Jeûne
Catabolisme musculaire
+++
Alanine
Lipolyse
+++
Alanine
Cortisol
AG
Pyruvate
Béta oxydation
+++
PD - PC ++
Acétyl CoA
Corps cétoniques
OA
Néoglucogenèse
FOIE
Le pyruvate est carboxylée en oxaloacétate, première étape de la néoglucogenèse
Dans le muscle
Dans le muscle en exercice, la pyruvate carboxylase se trouve stimulée par l’apport massif
des acétyl CoA originaires de la lipolyse.
Une partie du pyruvate se trouve ainsi transformée en oxaloacétate, première molécule
impliquée dans le cycle de Krebs.
Exercice musculaire
Glycogénolyse
G-6-P
Ac. aminés
Lipolyse
AG
Pyruvate
PD - PC ++
Acétyl CoA
OA
Malate
+ + Citrate synthase
Citrate
Succinate
alpha-cétoglutarate
ATP + CO2
39
NB : L’oxaloacétate formé dans ces conditions ne joue qu’un rôle de transporteur pour l’oxydation
de l’acétyl CoA. A la fin de chaque tour de cycle l’oxaloacétate se retrouve en même quantité. Il n’est
donc pas consommé dans le cycle de Krebs. C’est pour cette raison que l’on peut parler d’épargne
glucidique
Cette réaction permet :
+ De maintenir à un taux élevé la concentration mitochondriale en oxaloacétate
+ D’utiliser au mieux les acétyl CoA issus de la dégradation des triglycérides
+ D’épargner le pyruvate comme substrat énergétique
+ Peut être d’expliquer les crampes et les phénomènes de fatigue musculaire
lorsque le glycogène musculaire se trouve épuisé.
4.2.4 Réduction en acide lactique
4.2.4.1 Actions de la LDH
La LDH ou lacticodéshydrogénase est une enzyme allostérique qui catalyse l’hydrogénation
du pyruvate en lactate ou l’inverse.
LDH
Pyruvate
NADH2
CH3 – CO – COOH
NADH2
Lactate
NAD
CH3 – CHOH – COOH
NAD
Le lactate n’est ni un toxique ni un déchet (17 ATP), mais un moyen génial de
contourner un problème local (acidose musculaire) en mettant en jeu le foie (régénération de
glucose par la néoglucogenèse).
Cette enzyme réversible est présente dans la totalité des cellules de l’organisme. Le sens de
fonctionnement de la réaction dépend du type d’isoenzyme présent dans la cellule et des rapports
pyruvate/lactate et NADH2/NAD.
Muscle
Erythrocyte
Cœur
Foie
Rein
Pyruvate
«
Lactate
«
«
-------------- >
-------------- >
-------------- >
-------------- >
-------------- >
Lactate
«
Pyruvate
«
«
Le muscle et l’érythrocyte sont les principaux producteurs de lactate.
Au repos la concentration de lactate sanguin est inférieure à 1,7 mmol/l (il s’agit du lactate
produit par les érythrocytes). Lors de l’exercice musculaire cette valeur peut être multipliée par 6.
Le foie, le cœur et le rein sont des utilisateurs de lactate.
40
Le foie et le rein captent du lactate pour le métaboliser en glucose (Néoglucogenèse), tandis
que le cœur utilise directement l’acide lactique pour son métabolisme.
L’électrophorèse permet de dissocier 5 isoenzymes formés à partir des monomères H
(cardiaque) ou M (musculaire) H4, H3M, H2M2, HM3 et M4. Il s’agit de quatre chaînes
polypeptidiques unies entre elles par des liaisons non covalentes.
Chacune de ces isoenzymes se trouve dans la totalité des cellules mais dans des proportions très
différentes. Ainsi, le cœur contient-il comme le globule rouge, de grandes quantités de LDH 1 (H4), le
foie les LDH 4 et 5, le cerveau et le rein de la LDH 1, les lymphocytes de la LDH2 (H2M2) et le
muscle LDH5 (M4) ...
L’affinité de ces LDH pour leurs substrats diffère sensiblement, permettant ainsi d’orienter la
réaction vers la formation du lactate ou au contraire du pyruvate.
La LDH 1 (H4) présente une très grande affinité pour le lactate qu’elle transforme rapidement en
pyruvate. Si cette réaction semble marcher dans le «bon sens» au niveau du muscle cardiaque et du
rein (récupération de l’acide lactique plasmatique comme substrat énergétique), elle ne paraît pas
particulièrement adaptée au globule rouge qui se trouve être l’un des principaux fournisseurs de
lactate au repos.
Dans le cas de l’érythrocyte, la grande quantité de pyruvate produit par la glycolyse ne pouvant être
utilisée par une autre voie, la faible affinité de la LDH 1 pour le pyruvate se trouve compensée par
l’importance du rapport pyruvate/lactate.
Lors de l’exercice il est possible que la très forte concentration plasmatique en lactate inverse le sens
de cette réaction, transformant peut être ainsi l’érythrocyte en consommateur de lactate.
La LDH de type musculaire (M4) est présente en grande quantité dans les organes à métabolisme
anaérobie élevé. Elle se caractérise par une très grande affinité pour le pyruvate et fonctionne dans
le sens pyruvate - lactate, c’est-à-dire dans la direction la plus souhaitable pour le muscle lors de
l’exercice physique. Dans ce cas très particulier, la réaction se trouve également stimulée par la très
forte concentration locale de NADH2, notamment pendant les efforts pratiqués en «anaérobie».
Au niveau du foie les LDH 4 et 5 présentent une affinité du type de celle observée au niveau
musculaire, c’est-à-dire préférentielle pour le pyruvate. Le sens de fonctionnement de cette réaction
est pourtant dicté par les conditions locales (rapport NAD/NADH2 élevé, taux de pyruvate très bas).
A ce niveau, le pyruvate se trouve en effet très rapidement transformé en oxaloacétate pour participer
à la néoglucogenèse ou en acétyl CoA pour entrer dans le cycle de Krebs.
La répartition de cette isoenzyme est également fonction du type de cellule musculaire. Les fibres
de type I sont riches en H4 et les fibres IIb en M4.
4.2.4.2 Cycle Lactate Glucose
Pendant la pratique d’un exercice physique, les muscles en activités produisent de grandes
quantités de lactate pour assurer le maintient du rapport Oxyd/Reduc du cytoplasme.
Les protons fixés sur le pyruvate sont donc véhiculés vers le foie sous forme d’acide
lactique où ils seront à nouveau fixés sur NAD tandis que le pyruvate rentrera dans la
néoglucogenèse.
Le cycle (lactate glucose) est donc un moyen pratique de transporter des H+ d’une zone de
production excessive (le muscle) vers le foie. Cette opération permet d’autre part de régénérer du
NAD indispensable à la poursuite de la glycolyse musculaire.
41
MUSCLE
PLASMA
Glucose
FOIE
G
G
Pyruvate
NADH2
Cycle de Cori
NAD
NADH2
Pyruvate
NAD
Lactate
Lactate
Lactate
4-2-5 Relation avec le métabolisme des acides aminés
4.2.5.1 Transamination
Le pyruvate peut être aminé par une enzyme réversible, la Glutamate Pyruvate Transaminase
(GPT)
Glutamate pyruvate transaminase
Pyruvate
Alanine
Glutamate
Alphacéto glutarate
Cette enzyme ubiquitaire est présente dans toutes les cellules de l’organisme, dans le
cytoplasme et dans les mitochondries. Il s’agit d’une réaction réversible en fonction des
concentrations de substrat.
L’interconversion Alanine glucose permet de synthétiser des acides aminés à partir du
pyruvate ou de transformer l’alanine en pyruvate (réaction particulièrement intéressante lors de
l’exercice physique).
4.2.5.2 Cycle alanine/glucose
Le cycle alanine/glucose est stimulé lors de l’activité musculaire. Son intérêt majeur est de
permettre, par transamination, l’utilisation locale des chaînes carbonées issues des acides aminés
branchés musculaires. Le groupement amine est fixé sur le pyruvate, le transformant ainsi en Alanine.
Cette molécule quitte le muscle et gagne le foie, où par transamination elle se retransformera en
pyruvate. Pendant l’exercice physique l’alanine, comme le lactate, est un précurseur essentiel de la
néoglucogenèse.
Formation de l’alanine dans le muscle
Cette réaction existe dans pratiquement la totalité des cellules de l’organisme au niveau du
cytoplasme et de la mitochondrie.
Glutamate pyruvate transaminase
Pyruvate
Alanine
Glutamate
Alphacéto glutarate
42
Le glutamate a pour origine les NH2 originaires des acides aminés branchés.
Acides Aminés Branchés
(AAB)
Chaîne hydrocarbonée
Transaminase
Alphacéto glutarate
Glutamate
Utilisation de l’alanine dans le foie
GPT
Alanine
Néoglucogenèse
Pyruvate
Glucose
Cycle de l’urée
Alpha céto glutarate
Glutamate
Urée
L’alanine est essentiellement utilisée au niveau du foie et du rein. La réaction inverse permet
de régénérer le pyruvate qui peut être utilisé dans le cycle de Krebs ou pour la néoglucogenèse.
Comme pour les protons (cycle lactate - glucose) le pyruvate sert aussi de transporteur à
NH2 d’une région d’hyper production (le muscle), vers un organe capable de prendre en charge
ce métabolisme (cycle de Linée)
MUSCLE
PLASMA
FOIE
G
Pyruvate
G
Glutamate
Glutamate
Pyruvate
Cycle de Linée
Alpha céto
Alpha céto
Alanine
Alanine
Alanine
43
V NEOGLUCOGENESE
La néoglucogenèse ou gluconéogenèse correspond à la formation de glucose par le foie à
partir de précurseurs issus des acides aminés, du glycérol et de l’acide lactique. Bien que le rein
présente la capacité d’utiliser cette voie, notamment lors des états d’acidose, le foie est pratiquement
le seul organe susceptible de fournir des quantités appréciables de glucose néoformé à l’ensemble de
l’organisme.
La néoglucogenèse suit le trajet inverse de la glycolyse (du pyruvate au glucose) excepté au
niveau des trois étapes irréversibles (glucokinase, phosphofructokinase, pyruvate kinase).
5.1 Voie de la néoglucogenèse
5.1.1 Contournement de la pyruvate kinase
Le pyruvate cytoplasmique issu de l’acide lactique, des acides aminés ou du glycérol (jamais
du glucose) franchit la barrière mitochondriale pour être transformé en oxaloacétate par la Pyruvate
carboxylase, réaction nécessitant du CO2, de la biotine et un ATP.
Pyruvate carboxylase
Biotine-CO2 + Pyruvate
ATP
Oxaloacétate
ADP
La membrane mitochondriale étant imperméable à l’oxaloacétate celui-ci est transformé en
malate grâce à la malico-déshydrogénase (MD) et à un NADH2. Ce dernier franchit facilement la
membrane pour gagner le cytoplasme où il redonnera de l’oxaloacétate grâce à la même enzyme. Ce
système est connu sous le nom de navette malique.
La navette a pour principal objet de sortir de la mitochondrie de l’oxaloacétate en vue de
sa transformation en phosphoénolpyruvate (PEP) pour la néoglucogenèse.
Cette navette est particulièrement active lors de l’exercice physique et du jeûne. La
stimulation des récepteurs hépatiques par le glucagon et l’adrénaline provoque une stimulation de la
néoglucogenèse et une dégradation du pyruvate issu de l’alanine ou de l’acide lactique en
oxaloacétate
La sortie de l’oxaloacétate s’accompagne d’une libération cytoplasmique de NADH2
(modification du potentiel redox du cytoplasme) qui sera utilisé par la néoglucogenèse pour régénérer
le 3 PGA.
Mitochondrie
Oxaloacétate
Mbne
Cytoplasme
Oxaloacétate
NADH2
NADH2
MD
NAD
Malate
MD
NAD
Malate
Dans le cytoplasme l’oxaloacétate est transformé en Phospho-Énol Pyruvate (PEP) grâce à la
PEP-carboxy-kinase, enzyme irréversible nécessitant la consommation d’une liaison riche en énergie.
44
PEP-carboxy-kinase
Oxaloacétate
PEP + CO2
ITP
IDP
5.1.2 Contournement de la PFK
Cette réaction s’effectue grâce à une phosphatase. Cette enzyme très peu active constitue
l’étape limitante de la néoglucogenèse, elle est soumise à plusieurs régulations dont notamment celle
du fructose 2-6 di P.
Cortisol
Catécholamine
Glucagon
++++
AMP c
+++
Protéine kinase
F6P
-----
F6P
++++
PFK 2
F 2-6 di P ase
F-2-6-P
++++
F-2-6 P
F-1-6-P
+++
Phosphatase
Active
F-1-6-P
F-6-P
F-1-6-P
Phosphatase
Inactive
PFK1
F-6-P
F-1-6-P
5.1.3 Contournement de la glucokinase
Le glucose 6 P ne pouvant franchir la membrane cellulaire de l’hépatocyte, il doit au préalable
être déphosphorylé. Cette opération est réalisée par la Glucose 6 Phospho Phosphatase, enzyme
présent dans les cellules pourvues d’une néoglucogenèse (foie et rein).
La glucose 6 phosphatase se trouve du côté luminal des canalicules endoplasmiques et ne peut
donc agir que sur le G-6-P qui a traversé la membrane grâce à un transporteur spécifique. Ce système
constitue le facteur limitant.
Le G-6-P ne traverse cette première partie de la membrane que pour des concentrations
élevées (activité intense de la néoglucogenèse).
+++
G-6-P phosphatase
Glucose 6 P
Glucose + Pi
45
5.2 Résumé de la néoglucogenèse
Pyruvate carboxylase
Malico déshydrogénase
Pyruvate
Oxaloacétate
Malate
ATP
mitochondrie
ADP
NAVETTE
PEP carboxykinase
PEP
ADP
2 phosphoglycérate
Malico-déshydrogénase
Oxaloacétate
ATP
ATP
3 phosphoglycérate
cytoplasme
Malate
ADP
Ac 3 P glycérique
NADH2
NAD
Phosphofructo-phosphatase
Fructose 6 P
Fructose 1-6 P
3 Phospho-glycéraldéhyde
(2 molécules sont nécessaires)
Glucose 6 P phosphatase
Glucose 6
Glucose + Pi
5.3 Bilan de la néoglucogenèse :
Il s’agit d’une synthèse donc d’un bilan négatif. Deux molécules de pyruvate (triose) ne donnent
qu’une seule molécule de glucose (hexose). Sur le plan énergétique 6 ATP sont nécessaires ainsi
que deux NADH2.
5.4 Précurseurs
Les principaux précurseurs sont :
- L’acide lactique issu des globules rouges et des muscles en activité. Dans un premier
temps l’acide lactique est transformé en pyruvate grâce à la lacticodéshydrogénase.
- Certains acides aminés dit «glucoformateurs» dont le principal est l’alanine. Ces acides
aminés ont pour origine les acides aminés libres du plasma (quantité très limitée), les acides aminés
issus de la protéolyse des structures et ceux ingérés par le sujet.
- A un moindre degré le glycérol issu de la lipolyse
5.5 Régulation de la néoglucogenèse
La néoglucogenèse ne peut se dérouler qu’en présence d’une concentration élevée d’ATP,
elle est impossible en présence d’AMP ou d’ADP par défaut de charge énergétique.
Heureusement, la très grande stabilité de la charge énergétique hépatocytaire, même dans des
conditions d’exercice musculaire très violent, permet à cette voie métabolique de fonctionner dans
d’excellentes conditions.
46
Cette fonction est assurée localement par l’ATP et l’acétyl CoA mais surtout par
l’insuline, les catécholamines, le glucagon et les glucocorticoïdes.
5.5.1 Hormones régulatrices
Elles sont au nombre de quatre, l’insuline, les catécholamines, le cortisol et le glucagon.
5.5.1.1 Insuline
L’insuline réprime (diminution de la synthèse protéique enzymatique) et inhibe la
néoglucogenèse.
Cette inhibition porte sur la voie métabolique (AMPc) mais aussi sur les substrats (moins
grande dégradation des acides aminés). La diminution de la concentration d’insuline pendant
l’exercice lève cette inhibition. Cependant, même dans le cas où la chute de l’insulinémie ne se
produit pas, erreur diététique, mauvaise qualité de l’entraînement, pendant l’exercice physique, un
taux très élevé d’insuline (100 *UI/ml) ne parvient pas à inhiber l’activation induite par les
catécholamines.
Lors de l’exercice la chute de l’insulinémie lève l’inhibition.
5.5.1.2 Catécholamines
Les catécholamines activent la néoglucogenèse via l’AMPc.
Lors de l’exercice les catécholamines circulantes inhibent la glycolyse et activent la
néoglucogenèse.
5.5.1.3 Glucagon
Le glucagon est un puissant activateur dont l’action hyperglycémiante est rapide. Il agit en
favorisant la captation de certains acides aminés (alanine, glycine, arginine, lysine, phénylalanine), et
en augmentant la synthèse de PEP. Il active d’autre part la fructose1-6 di phosphatase, diminuant
ainsi la concentration en F 1-6 P. A plus long terme le glucagon induit la synthèse par réplication de
l’ARNm des enzymes de la néoglucogenèse.
Le glucagon intervient essentiellement à jeun pour maintenir la glycémie à un taux normal. Son
rôle pendant l’activité physique est très discuté.
5.5.1.4 Cortisol
Les glucocorticoïdes induisent la synthèse des enzymes clés de la néoglucogenèse
(Glucose 6 Phosphatase, Fructose 1-6 di Phosphatase, PEP Carboxykinase, Pyruvate
Carboxylase, GOT). Ces synthèses sont très rapides (une à deux heures). Il semble que leur action
soit indispensable à l’activation des catécholamines et du glucagon. De plus, le catabolisme protidique
et la lipolyse induits par les glucocorticoïdes, augmentent la quantité de substrat disponible.
Lors de l’exercice physique, l’augmentation de la cortisolémie active la néoglucogenèse.
47
5.5.2 Enzymes régulées
Activations
L’activation s’effectue essentiellement au niveau de la pyruvate carboxylase et de la fructose
1-6 di phosphatase.
La pyruvate carboxylase est activée allostériquement par l’acétyl CoA et l’ATP.
Une concentration élevée d’acétyl CoA témoigne d’un catabolisme intense des acides gras vecteurs
d’énergie et d’équivalents réducteurs indispensables à la néoglucogenèse.
La PEP carboxykinase est activée par l’AMPc
La fructose 1-6 di phosphatase est activée par l’ATP et inhibée par l’AMP et le fructose 2-6
P. Cette dernière régulation dépend de l’activation de la protéine kinase par l’AMP cyclique.
Toute augmentation du glucagon ou de l’adrénaline tend à diminuer le taux de fructose 2-6 P
donc à lever l’inhibition.
Inhibitions
Pour éviter des cycles futiles, la glycolyse et les voies métaboliques utilisant le glucose
doivent être inhibées quand la néoglucogenèse est activée. Cette inhibition porte sur la PFK 1, la
pyruvate kinase et l’isocitrico-déshydrogénase.
Néoglucogenèse
PEP
Lactate
Oxaloacétate
Pyruvate
OA Acétyl CoA
Malate
Citrate
PD
Acides gras
mb mitochondriale
+++
--Citrate synthétase
O .A. + Acétyl CoA
PCK
--Citrate
Isocitrate-déshydrogénas
ATP
- (NADH2)
Alpha Céto glutarate
Malate
Pyruvate kinase
Cette inhibition permet d’éviter la transformation du PEP en pyruvate tout en maintenant des
concentrations très élevées de PEP, indispensable à la remontée de la voie métabolique vers le 3 P
glycéraldéhyde. Elle est assurée par le glucagon via l’AMPc, l’ATP et le Mg++
48
Isocitrico-déshydrogénase
Cette enzyme n’est pas à proprement parlé une enzyme de la néoglucogenèse mais, son
inhibition par le NADH2 (généré par un catabolisme intense des acides gras) permet d’augmenter
localement le taux d’isocitrate et d’orienter ce constituant vers l’oxaloacétate (sortie du citrate de la
mitochondrie, action de la citrate lyase).
Glucokinase
Cette enzyme fonctionne quand la concentration de glucose cytosolique est élevée. Dans le cas de la
néoglucogenèse c’est la concentration de G-6-P qui est forte et freine ainsi la glucokinase.
Lactate
Alanine
Glycérol
Pyruvate
Fructose 6 P
Fructose 1-6 P
Fructose 1-6P phosphatase
Acétyl CoA
+++
Pyruvate carboxylase
Pyruvate
Oxaloacétate
PEP
Fructose 2-6 di P
Malate
Oxaloacétate
Malate
PEP Carboxylase
+++
AMPc
Catécholamines
Glucagon
+++
Glucose 6-P phosphatase
Glucose 6 P
Glucose
5.5.3 Rendement
Au repos un gramme d’acide aminé donne environ 0.65 g de glucose, la production de glucose
originaire de cette voie est faible (<0.5 g/h).
Pendant un exercice cette valeur peut être multipliée par 10 pour le glucose provenant des
acides aminés et par 50 pour le glucose provenant du lactate.
49
VI METABOLISME DE L’ALCOOL
6-1 Absorption de l’alcool
L’alcool est très rapidement transféré de l’intestin dans la veine porte, puis dans la circulation
générale. Son absorption est encore plus rapide si le mélange ingéré est sucré.
6-2 Métabolisme
L’alcool est dégradé par l’alcool déshydrogénase en acétaldéhyde
Alcool déshydrogénase
CH3-CH2OH
Zn+
NAD
CH3-CHO
NADH2
Ethanol
Acétaldéhyde
L'alcool déshydrogénase est une enzyme qu'on trouve dans le cytoplasme de la plupart de nos
cellules. Elle catalyse l'oxydation de l'éthanol en acétaldéhyde en réduisant simultanément un
coenzyme NAD+ en NADH. Cependant, lors de l’ingestion d’alcool, c’est le foie qui déshydrogène la
plus grande partie de ce métabolite.
Cette réaction se déroule selon un mécanisme de type bi ordonné : l'enzyme n'a pas d'affinité
pour l'alcool si elle n'est pas préalablement associée au coenzyme NAD+ en un premier complexe ;
puis le complexe ternaire Enzyme-NAD+-Ethanol se transforme en un complexe Enzyme-NADHAcétaldéhyde ; ce dernier complexe se dissocie en libérant l'acétaldéhyde puis le NAD réduit.
Le foie peut aussi oxyder partiellement l'alcool par des hydroxylases à cyt p450 (CYP 2E1)
inductibles. Il existe aussi une très faible oxydation par des catalases. Le rein réabsorbe l'alcool, si
bien que l'élimination urinaire directe de l'alcool ne dépasse pas 2 % de la dose ingérée.
L’acétaldéhyde produit par la déshydrogénation de l’alcool est oxydé à son tour pour donner
de l’Acétyl CoA qui peut soit peut entrer dans le cycle de Krebs (et donner 18 ATP), soit être
incorporé à la synthèse des acides gras.
Aldéhyde déshydrogénase
HS-CoA
CH3-CHO
CH3-CoA
NAD
Acétaldéhyde
NADH2
Acétyl CoA
L’aldéhyde déshydrogénases est une flavoprotéine hépatique qui capte les aldéhydes et les
oxydent en acides au niveau de la mitochondrie. Au cours de l'oxydation de l'acétaldéhyde, un
coenzyme NAD+ est réduit, et l'acide acétique produit est lié au coenzyme A par une liaison riche en
énergie.
6-3 Toxicité de l’alcool
+ Hépatique
Il n'existe pas de régulation de la voie de captation et d'oxydation de l'alcool éthylique par
les cellules, notamment les cellules hépatiques. Cette particularité provoque donc une augmentation
importante du rapport HADH2/NAD. L'acétyl-CoA produit en grande quantité, ne sera pas utilisé en
50
totalité par le cycle de Krebs, mais en partie utilisé dans la voie de la lipogenèse, ce qui provoquera
assez rapidement une stéatose hépatique et une souffrance des hépatocytes objectivée par
l’augmentation plasmatique des gammaGT.
+ Vasculaire
L’alcool est un puissant activateur de la HMG CoA réductase, enzyme clé de la synthèse du
cholestérol. L’intoxication éthylique est donc responsable d’une hypercholestérolémie et d’un risque
important d’athérome.
+ Neuronale
L’alcool présente une double activité toxique sur les neurones. D’une part une
dégénérescence cellulaire, d’autre part un effet d’accoutumance responsable du processus d’addiction.
La sensation d’ébriété est fonction du taux d’alcool dans le sang et de la durée de
l’imprégnation alcoolique, c'est-à-dire de la vitesse avec laquelle l’alcool déshydrogénase et
l’aldéhyde déshydrogénase métabolisent l’alcool en Acétyl CoA.
Deux phénomènes sont susceptibles de jouer sur la vitesse du catabolisme
+ Un processus adaptatif qui porte sur l’alcool déshydrogénase. Cette enzyme est,
comme quelques autres enzymes hépatiques, inductible. L’ingestion répétée d’alcool provoque ainsi
une augmentation des capacités à cataboliser l’alcool éthylique en aldéhyde. Plus le catabolisme est
rapide, moins le taux d’alcool plasmatique reste élevé, phénomène qui peut repousser la sensation
d’ébriété et pousser à prolonger la consommation.
+ Un processus inné par mutation d’un gène. Ce phénomène a été mis en évidence
dans diverses populations, notamment chez les asiatiques et les amérindiens. La mutation porte sur un
isoenzyme de l’aldéhyde déshydrogénase l’ALDH2 qui fait défaut dans certaines populations
asiatiques (La revue « pour la Science » de Juillet 2007 note que 44% des japonais présentent cette
mutation, 53% des vietnamiens, 27% des coréens et 30% des chinois avec un pic pour l’ethnie Han à
45%). Cette inefficacité de l’enzyme maintient des taux élevés d’aldéhyde dans le sang ce qui
provoque des sensations ébrieuses prolongées et surtout un syndrome de dépendance.
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VII METABOLISME HEPATIQUE DES HYDRATES DE CARBONE
Les principales voies métaboliques hépatiques agissent en synergie. Deux grandes directions
sont possibles, la mise en réserve de glycogène ou d’acides gras via la glycolyse, la libération de
glucose dans la circulation provenant de la néoglucogenèse et de la glycogénolyse.
7-1 Anabolisme énergétique
L’anabolisme énergétique est mis en route par l’absorption des hydrates de carbone.
L’anabolisme énergétique est stimulé par l’insuline qui active :
La glycogénogenèse
La glycolyse Cette voie métabolique provoque la formation de grandes
quantités d’acétyl CoA qui seront métabolisé en acides gras et exportés sous forme de triglycérides
vers les adipocytes.
Glycogène
Glycogénogenèse +++
Glucose
alimentaire
G-6-P
G
Insuline
Glycolyse +++
Pyruvate
Acétyl CoA
Acides gras
7-2 Catabolisme énergétique
Le catabolisme énergétique est mis en route pour maintenir la glycémie ; au repos lors
du jeûne (Glucagon), à l’exercice musculaire (catécholamines).
Le catabolisme énergétique aboutit à la formation de glucose qui peut provenir :
Des réserves de glycogène hépatique
De la néoglucogenèse, c'est-à-dire du métabolisme musculaire (acide
lactique), adipocytaire (glycérol) ou tissulaire (acides aminés).
Glycogène
Glycogénolyse +++
Jeûne
Alimentaire
Glucagon
G-6-P
G Catécholamines
Contraction
musculaire
Néoglucogenèse +++
Acides aminés
Pyruvate
Lactate
7-3 Utilisation des substrats énergétiques
Les trois principaux hydrates de carbone sont intégrés dans le métabolisme à divers niveaux.
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Glycogène
Galactose
G-1-P
UDP Gal
Glucose
Glycogénogenèse +++
UDP Glu
G-6-P
G
Insuline
Glycolyse +++
F-6-P
Fructose
F-1-P
F-1-6-P
Pyruvate
Acétyl CoA
Acides gras
La voie métabolique partant du F-1-P au G-6-P (
) n’est effective qu’au début de
l’ingestion de fructose, avant que la décharge d’insuline n’implique la totalité du F-1-P dans la
glycolyse et la formation des lipides. Ce mécanisme explique pourquoi au début de l’ingestion de
fructose, une partie de ce dernier est synthétisé en glucose, mais aussi pourquoi le fructose est accusé
de favoriser la synthèse des acides gras. Un mécanisme du même type peut être décrit pour le
galactose au niveau de la voie du glycogène.
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