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METABOLISME DE L’EXERCICE
UV 303/308
INTRODUCTION AU METABOLISME
P.Pilardeau
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INTRODUCTION AU METABOLISME
Le métabolisme regroupe tous les changements susceptibles d’intervenir dans la gestion d’un
organisme vivant. Artificiellement, on a scindé cette notion en deux parties suivant que l’organisme,
ou plutôt la cellule, se trouvait en phase constructive (anabolisme) ou destructive (catabolisme). Cette
double notion entretient une ambiguïté puisque suivant que l’on considère l’organisme, un organe,
une cellule ou une voie métabolique (ensemble de réactions chimiques modifiant un métabolite en un
autre constituant), ces deux systèmes pourront, ou non, fonctionner en parallèle. Ainsi, quand il s’agit
d’un organisme, ou parfois d’un organe, l’anabolisme et le catabolisme d’une substance peuvent se
dérouler en même temps (la synthèse et la dégradation de l’hème sont réalisées simultanément
pendant toute la durée de la vie). Cette simultanéité de l’anabolisme et du catabolisme apparaît
comme très rare au niveau de la simple cellule, et impossible à l’échelle de la voie métabolique (la
néoglucogenèse hépatique par exemple, ne fonctionne pas en même temps que la glycolyse de ce
même organe).
Le métabolisme apparaît ainsi comme la fonction essentielle de la vie, et cela, de la plus
simple cellule, à l’organisme le plus compliqué. Plus l’individu vivant sera complexe, plus le les
mécanismes de «réglage» du métabolisme seront sophistiqués, pour prendre en compte à la fois le
fonctionnement de la cellule, mais aussi les relations entre cellules d’un même organe et entre les
organes constituant l’organisme.
Ces « réglages » sont assurés localement par les enzymes, et au niveau de l’organisme par les
hormones, les premières jouent un rôle de médiatrices au cœur même de la cellule, tandis que les
secondes agissent aux niveaux vasculaire et neurologique.
Tout au long de la vie de l’individu, le métabolisme assurera donc l’équilibre des grandes fonctions
vitales, comme la croissance, le renouvellement cellulaire, l’énergétique, la régulation thermique et la
reproduction...
Si l’on dépasse le strict cadre de l'individu, l’on s’aperçoit que le métabolisme prend
également en compte la relation avec l’environnement extérieur, que celui-ci soit physique (chaleur,
lumière, composition de l’aire, pression atmosphérique, rayonnement de particules...), ou vivant dans
le cadre des relations entre les individus d’une même espèce (relations sociales et culturelles) voire
d’autres espèces évoluant dans des niches écologiques proches (prédation, élevage...). Cette
communication est réalisée grâce aux capteurs sensoriels (vue, olfaction, sensibilité...) capables de
prendre en compte les stimuli de toutes sortes.
Ces interactions multiples sont le fruit d’une longue évolution dont la complexité a été
grandissante depuis la première cellule, issue du hasard, il y a environ 3 ,5 milliards d’années sur la
terre.
De la biochimie ou apparition de la vie
La biochimie, ou chimie de la vie, se confond avec l’apparition sur terre de molécules ayant
perdu leur strict caractère minéral, c’est-à-dire présentant des chaînes carbonées. Le mot Biochimie
est d’origine récente (1864), il est formé de l’association de bio (vie) et de chimie dont la racine
gréco-égyptienne (alchimie), arabisée puis latinisée au quinzième siècle reflète parfaitement la notion
de spéculation mystique liée au grand œuvre, celui de la transmutation du vil plomb en or, ou plus
généralement du minéral en vivant. Si la science biochimique est née récemment, la réaction
biochimique elle, existe bien avant l’apparition de la cellule originelle, quand les premières
molécules de carbone, d’azote, d’hydrogène et d’oxygène établirent entre elles des liaisons originales,
inconnues du monde purement minéral qui les entourait.
L’apparition des molécules biologiques sur la terre remonte suivant les auteurs entre 3,5 et 4
milliards d’années. Leur synthèse a certainement eu pour origine les nombreuses décharges
électriques issues des orages, dans une atmosphère dont la composition était assez éloignée de celle
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que nous connaissons aujourd’hui, et peut-être aussi des « contaminations cosmiques » provenant des
comètes. La présence en grande quantité de gaz carbonique et d’azote, dans l’air d’une part ,et
d’hydrogène et d’oxygène dans l’eau d’autre part, est suffisante pour rendre compte par ionisation de
la formation de structures moléculaires correspondant aux acides gras, aux acides aminés et aux oses
(ces produits sont présents dans les parties glacées constituant la queue des comètes). Il est également
prouvé aujourd’hui que de nombreux acides aminés existent dans le cosmos et ont, d’une certaine
manière, pu « ensemencer » la terre.
Il faut imaginer en suite que ces premières molécules organiques, particulièrement
concentrées près des rivages se sont trouvées brassées par les vagues et pour certaines enfermées dans
des structures lipidiques résultant de l’émulsion eau de mer/acides gras. La première membrane était
née.
Naissance de la première cellule
Si l’isolement d’un milieu intérieur/par rapport à l’extérieur est un phénomène essentiel dans
la constitution de la première cellule, il est cependant insuffisant pour expliquer la mise en route de
processus synthétiques et surtout reproductifs. A ce niveau les hypothèses sont nombreuses pour
expliquer l’apparition de la première enzyme (biocatalyseur d’origine protéique), et de la première
séquence ARN active.
Le plus probable est que cette cellule originelle, pauvrement pourvue sur le plan nucléique,
était de type végétal, c’est-à-dire capable de réaliser des synthèses à partir de l’énergie solaire.
Ce début de la vie aboutit assez vite à une diversification de ces cellules et à une
complexification croissante de leur contenu nucléique.
Si l’on compare très grossièrement ces cellules isolées, aux cellules végétales modernes, un
certain nombre de paramètres simples peuvent être considérés comme acquis dès cette période :
- Un noyau contenant un ARN.
- Un pigment primitif capable de convertir l’énergie solaire en énergie chimique.
- La capacité de synthétiser des protéines simples présentant un pouvoir enzymatique.
- Des chaînes enzymatiques susceptibles de modifier le contenu intra cellulaire (la
fermentation alcoolique est certainement la voie métabolique la plus ancienne).
- La possibilité de synthétiser par réduction dans le cytoplasme des sucres et des acides gras
pour les structures cellulaires mais aussi pour servir de réserves énergétiques aux cellules filles, à
partir du gaz carbonique contenu dans l’atmosphère. Les organismes végétaux complexes utilisent
aujourd’hui les graines dont le contenu peut être plutôt lipidique (oléagineux) ou osidique (céréales).
Le rejet dans l’atmosphère de l’oxygène extrait du gaz carbonique et de l’eau.
Ces cellules de type végétal ont occupé les mers primitives pendant des millions d’années,
modifiant peu à peu leur environnement en provoquant un enrichissement de l’air en oxygène et son
appauvrissement en gaz carbonique. Ce nouvel équilibre particulièrement hostile à ces cellules aurait
certainement été à l’origine de la première catastrophe écologique de l’histoire si une sorte de cellule
mutante n’était apparue pour inverser le processus. Cette cellule, plus petite que la première se mit à
tirer son énergie des cellules initiales en oxydant les sucres et les graisses mises en réserves dans leur
cytoplasme. En quelque sorte, une espèce de prédateur était apparue dans les mers. Par un processus
inverse, ces cellules très richement pourvues en enzymes oxydatives, utilisaient l’oxygène de l’air
pour dégrader dans leur cytoplasme les acides gras et les sucres puisés dans les cellules végétales,
puis rejetaient du gaz carbonique dans l’atmosphère. Une sorte d’équilibre s’instaura pour un
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certain temps entre ces deux types cellulaires abaissant progressivement le taux très élevé d’oxygène
atmosphérique.
L'étape suivante conduit à une véritable union cellulaire, c’est-à-dire à un processus
symbiotique. Pour une raison non encore élucidée (peut-être un processus de défense des cellules
végétales) la petite cellule qui s’était introduite dans le cytoplasme de la grande fut entourée d’une
membrane de phagocytose pour l’isoler du cytoplasme mais admise à rester à demeure. Cette
inclusion, qui explique la double membrane des mitochondries permet d’analyser assez facilement le
fonctionnement de ce système symbiotique qui porte aujourd’hui le nom de cellule animale.
Que reste-t-il des vestiges de notre passé « végétal » ?
Un cytoplasme dans lequel seront réalisés les synthèses réductrices (synthèse de glycogène et
d’acides gras) et une dégradation glycolytique anaérobie des sucres (ancienne fermentation alcoolique
des levures).
Un noyau chargé des synthèses protéiques cytoplasmiques et de la reproduction cellulaire.
Des mitochondries avec une double membrane et dans lesquelles se dérouleront les
mécanismes oxydatifs (cycle de Krebs, chaîne respiratoire).
Un ARN mitochondrial qui travaille pour son compte (synthèse des enzymes et des protéines
mitochondriales, reproduction des mitochondries).
Notre cellule moderne garde donc encore cette ambivalence issue de plusieurs milliards
d’années d’évolution.
Mise en place des régulations
Tout organisme vivant, même le plus simple doit pour survivre pouvoir réguler ses réactions
enzymatiques. Toute perte ou diminution de cette fonction essentielle entraîne irrémédiablement la
mort de la cellule. Le système le plus évident concerne la pompe à sodium/potassium membranaire.
Cette kinase doit pouvoir adapter son activité en fonction des concentrations respectives de potassium
et de sodium cytoplasmique, mais aussi d’ATP disponible. Si son activité diminue (faute d’énergie ou
d’incapacité à saisir l’information, le milieu intérieur s’équilibre avec le milieu extérieur entraînant la
lyse cellulaire).
Il existe de nombreux types de régulations au sein d’un même organisme. Les plus simples, et
certainement les plus anciennement mises en place, ne s’appliquent qu’à une enzyme, les plus
complexes s’expriment hors du milieu purement cellulaire et concernent l’ensemble de l’organisme,
on parle alors de régulation nerveuse ou hormonale.
Ces régulations constituent en grande partie le cœur même des processus évolutifs qui se sont
succédés depuis l’apparition de la première cellule (il faut noter que certaines formes de vie ont pu
exister avant même la mise en place du système cellulaire). Les transformations génétiques
rencontrées lors de la scission cellulaire (Ex : boucles de délétion) ou secondaires à l’effet de
radiations ionisantes sur les gonades des reproducteurs ont toutes pour cible la synthèse des
protéines, c’est-à-dire la totalité des structures enzymatiques. L’évolution des espèces se trouve
ainsi être l’expression de modifications fonctionnelles enzymatiques portant sur leurs capacités
catalytiques ou leur mode de régulation (modification de sites, groupements polymériques...).
Du plus simple au plus compliqué les régulations s’appliquent sur :
Une seule enzyme (activation, inhibition)
Une chaîne enzymatique (régulation allostérique)
Plusieurs enzymes d’une même cellule (régulation de synthèse)
Plusieurs chaînes enzymatiques de différents organes (régulation covalente).
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Dans tous les cas, ces régulations jouent sur la vitesse de transformation d’un substrat en produit.
La modification de ce vecteur peut être obtenue de plusieurs façons :
En modifiant la concentration d’enzyme dans le milieu
En diminuant ou augmentant son affinité pour le substrat
En ralentissant ou en augmentant la vitesse de réaction de l’enzyme
En le faisant passer d’une forme active à une forme inactive, ou inversement
Ces quatre modes de régulation peuvent parfois concerner une même enzyme.
Activation et inhibition
a - Inhibition non compétitive
Beaucoup d’enzymes peuvent réguler leur vitesse de réaction en modifiant leur vitesse
d’activité ou leur affinité pour leur substrat. Dans le cas de l’hexokinase, c’est le produit le la réaction
(le G-6-P) qui freine l’activité de la phosphorylation du glucose sur le carbone 6. A l’inverse la
glucokinase (enzyme purement hépatique) accélère sa vitesse de réaction par augmentation de son
affinité pour le substrat quand la concentration de glucose plasmatique augmente.
Hexokinase
Glucose
ATP
Glucokinase
G-6-P
ADP
Glucose
ATP
Muscles
G 6-P
ADP
Foie
Ces régulations permettent d’adapter la vitesse d’entrée du glucose dans le muscle et dans le
foie en tenant compte de l’état métabolique de l’organisme en ce qui concerne le foie (concentration
de glucose dans la veine porte) et de la cellule en ce qui concerne le muscle (glycocytie).
Vitesse de réaction
1/V
V max 1
V max 2
1/V max 2
1/V max 1
Concentration en substrat
Km
1/S
L’intérêt de ce type de régulation est d’une part sa rapidité (la régulation est immédiate) et
d’autre part son absence d’interaction avec les produits ou les substrats des chaînes métaboliques se
trouvant en amont ou en aval.
b- Inhibition compétitive
Dans ce cas, un substrat se fixe réversiblement à une enzyme et dispute le site actif au substrat
habituel.
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Vitesse réactionnelle
1/V
V max
1/Vmax
Concentration en substrat
Km 2 Km 1
1/S
C’est le cas des inhibiteurs de l’HMG CoA réductase, administrés aux patients présentant
une hypercholestérolémie. L’analogie de structure entre l’HMG et le médicament diminue la
valeur relative de l’affinité (l’affinité réelle de l’enzyme est la même, mais la présence de molécules
reconnues pour le substrat amène la cinétique de la réaction à se comporter comme si le Km était plus
élevé (la Vmax est inchangée).
Ces régulations très utilisées en thérapeutiques ne sont que rarement mise en œuvre dans le
métabolisme normal. En supposant que l’on puisse augmenter de façon significative les
concentrations de galactose et/ou de fructose plasmatiques, ces deux substances reconnues par
l’hexokinase pourraient entrer en compétition avec le glucose et diminuer le Km de l’enzyme pour
cette substance ; cet exemple reste purement théorique puisque ces deux substances sont captées en
totalité par le foie lors de leur premier passage.
c - Inhibition incompétitive
Ce type d’inhibition nécessite que le substrat se fixe dans un premier temps à l’enzyme, puis
que l’inhibiteur se fixe en second lieu sur ce complexe.
Dans ce cas, on observe à la fois une diminution de la Vmax et une augmentation relative
de l’affinité de l’enzyme pour le substrat.
Ce type d’inhibition caractérise un certain nombre de substances toxiques.
Vitesse réactionnelle
1/V
V max 1
V max 2
Concentration en substrat
Km2 Km1
1/S
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Régulation allostérique
Toutes les enzymes impliquées dans des réactions allostériques sont polymériques. Ces
enzymes présentent au moins un axe de symétrie et un seul site capable de donner un complexe
stéréospécifique. Ainsi, la conformation de chaque protomère se trouve contrainte par son association
avec les autres protomères. Cet état a pour conséquence la modification de l’affinité d’un ou plusieurs
sites lors d’une transition d’un état à l’autre ; graphiquement, l’aspect de la courbe vitesse/substrat est
celui d’une sigmoïde.
Deux types d’enzymes allostériques peuvent être définis suivant la modification ou non de
leur affinité pour le substrat :
a - Modification d’affinité pour le substrat
Dans ce cas, l’état de faible affinité pour le substrat prédomine en l’absence de substrat.
Quand ce dernier augmente sa concentration, son affinité augmente. Ces enzymes sont dits de type
K (la Vmax est inchangée).
Vitesse
de la réaction
V max
Concentration en substrat
b - Absence de modification de l’affinité
Dans cette catégorie entrent des enzymes présentant des affinités identiques pour le substrat
mais dont l’effecteur modifiera la vitesse de réaction. Ces enzymes sont dits de type V.
Vitesse de la
réaction
Concentration en substrat
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Les enzymes allostériques jouent un rôle essentiel dans la régulation du métabolisme.
Beaucoup d’auteurs situent d’ailleurs l’allostérie comme un facteur essentiel de l’évolution des
espèces. Les avantages apportés par ce type de fonctionnement donnant aux espèces qui les possèdent
des capacités d’adaptation aux modifications de l’environnement beaucoup plus grandes.
Dans l’organisme de très nombreux enzymes appartiennent à cette catégorie, la
phosphofructokinase (PFK1) est certainement celle qui a été la plus étudiée.
Phosphofructokinase
F-6-P
F-1-6-diP
ATP
ADP
En présence d’une faible concentration de F-6-P l’affinité de cette enzyme pour son substrat
est excessivement faible.
Les régulations allostériques concernent plus volontiers des voies métaboliques, jouant le
rôle fondamental d'enzyme clé. Ainsi la PFK1 pour la glycolyse, la PEP carboxykinase pour la
néoglucogenèse permettent-elles de réguler ces deux voies en fonction de données purement locales.
G-6-P
I
F-6-P
I
PFK 1(Foie et muscles)
F-1-6-P
I
PEP
I Pyruvate kinase(Foie)
Pyruvate
I
Acétyl CoA
I
Citrate
I
ATP
Régulation de synthèse
Le système de régulation par synthèse de nouveaux enzymes implique la mise en route de
la transcription de l’ADN du noyau en ARNm.
La synthèse est induite par un messager intracellulaire reconnu au niveau de la membrane
nucléaire. Les principales hormones à l’origine de ces synthèses protéiques sont l’insuline et les
hormones stéroïdes (anabolisants, œstrogènes, aldostérones, corticoïdes, testostérone...).
Au niveau de la cellule cible, la stimulation de la synthèse protéique concerne un ou plusieurs
enzymes d’une même voie métabolique. Ainsi, le cortisol stimule la synthèse de la PEP
carboxykinase et les phosphatases de la voie de la néoglucogenèse, tandis que l’insuline stimule la
synthèse des enzymes glycolytiques (hexokinase, PFK 1, pyruvate kinase).
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G
I Hexokinase
G-6-P
I
F-6-P
I
PFK 1
F-1-6-P
I
PEP
I Pyruvate kinase
Pyruvate
I
Acétyl CoA
I
Citrate
I
ATP
La mise en route de ce processus est relativement rapide puisque deux heures suffisent pour
qu’une augmentation de la concentration cytoplasmique en ces enzymes soit constatée.
L’augmentation de la vitesse de transformation est uniquement en rapport avec
l’augmentation de la quantité d’enzymes, en particulier la Vmax et le Km de l’enzyme concernée
restent constants.
L’intérêt de ce système réside dans le fait que plusieurs organes peuvent être concernés (il ne
s’agit pas comme dans les cas précédents d’une simple régulation cellulaire), et que l’ensemble d’une
voie métabolique est prise en compte (les enzymes inductibles sont les enzymes-clés de la chaîne
enzymatique).
Régulation covalente
La régulation covalente complète habilement le contrôle du métabolisme. Son principe
consiste à multiplier un message hormonal via l’AMPc et une protéine kinase.
La régulation covalente ne peut exister dans une cellule qu’à deux conditions essentielles :
1 - La présence de deux voies métaboliques opposées (Ex. néoglucogenèse/glycolyse,
glycogénogenèse/glycogénolyse).
2 - La possibilité pour les enzymes concernées d’exister sous deux formes, active et inactive,
suivant qu’elles sont phosphorylées ou non.
L’intérêt de ce système est double :
1 - A partir d’un seul message hormonal reçu sur un site membranaire, responsable de la
synthèse de l’AMPc (messager intracellulaire) et de l’activation de la protéine kinase, la cellule
multiplie l’information.
2 - Ce système en inhibant une réaction enzymatique fonctionnant dans un sens tandis qu’il
active l’autre sens permet d’éviter ce que l’on appel un « cycle futile ».
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Hormone
Mb
ATP
AMPc
Protéine kinase
Phosphorylase
active
Enzyme
active
Enzyme
inactive
Enzyme
inactive
A
Phosphorylase
inactive
Enzyme
active
B
Synthèse
A
B
Dégradation
Principales catégories d’enzymes concernées par le métabolisme
Les enzymes participant au métabolisme énergétique présentent des caractéristiques
communes :
Kinase
Les kinases sont utilisées pour transférer un groupement riche en énergie d’une
molécule à l’autre.
Elles sont généralement irréversibles du fait du delta énergétique.
Principales exceptions :
Ac 1 - 3 Phospho glycérique
ADP
3 P glycérate kinase
Ac 3 P glycérique
ATP
3-PGA
Ac 1-3 di P glycérique
Créatine-phospho-kinase
Créatine
Créatine 6 – P
ATP
ADP
Phosphatase
La phosphatase a pour fonction de décrocher un phosphate et de le libérer dans le
milieu sous forme de Pi (phosphate inorganique).
G – 6 – Phospho phosphatase
G–6–P
Glucose + Pi
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Cette réaction correspond à la destruction par hydrolyse d’une liaison riche en énergie,
donc à une perte énergétique. Elle est toujours irréversible.
Isomérase
Les isomérases ont pour fonction de transformer la stéréochimie d’une molécule sans
modifier sa formule. Il s’agit toujours de réactions réversibles.
Glucose
Galactose
Glucose
Fructose
La réaction se fait à des niveaux d’énergie similaires, d’où sa réversibilité.
Déshydrogénase
Les déshydrogénases sont des réactions destinées à transférer deux protons sur un
transporteur (NAD, NADP ou FAD).
3 P-GA
NAD
Acide 1 – 3 P di glycérique
NADH2
Certaines déshydrogénases peuvent être couplées à un processus de décarboxylation
oxydative. Dans ce cas elles sont irréversibles.
Transférase
La transférase a pour objet de déplacer un radical chimique d’une molécule à une autre
molécule. Il s’agit d’enzymes réversibles.
Amino transférase
R1 - NH2
R2
R1
R2 – NH2
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Exercice physique
L’exercice physique agit comme élément déstabilisateur d’un système en équilibre précaire.
En hydrolysant l’ATP au niveau des fibres musculaires, c’est l’organe, puis l’ensemble de
l’organisme qui devra s’adapter pour gérer ce déséquilibre.
Les régulations, locales dès les premières secondes de l’exercice, deviendront donc
rapidement générales et feront intervenir la presque totalité des organes.
Décharge sympathique
Muscle
Cœur
Médullo-surrénale
Pancréas
Rein
ATP
Catécholamines
Glycogène
Foie
Glycogène
Mouvement
G-6-P
G
Plasma
G- 6 P
ADP
G
Pyruvate
Lactate
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