GLUCOSE
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Cours de Biochimie PCEM1 année 2004-2005, deuxième semestre Faculté de Médecine Pitié-Salpétrière, Pr P Ferré Faculté de Médecine Saint-Antoine, Pr J Capeau Module Métabolisme glucido-lipidique et régulation Métabolisme glucidique Métabolisme lipidique Régulation du métabolisme énergétique 1 METABOLISME GLUCIDIQUE • I - Vue d’ensemble • II - Le transport transmembranaire du glucose • III - Métabolisme du glycogène 1. Synthèse du glycogène 2. Dégradation du glycogène 3. Utilisation 4. Régulation • IV - Néoglucogénèse 1. Vue générale 2. Les étapes spécifiques 3. Les substrats 4. Régulation • V - Voie des pentoses-phosphates 1.Vue générale 2. Deux phases : oxidative et non-oxidative 3. L’utilisation de la voie des pentoses • VI - Interconversion des oses 1. Métabolisme du fructose 2. Métabolisme du galactose 2 I - Vue d’ensemble - GLUCOSE Tous les tissus (cerveau : 50% de l’utilisation journalière). - ACIDES GRAS Muscles, Foie (le cerveau n’oxyde pas d’acides gras). Glycolyse Pyruvate Glucose Oxydation Mitochondriale ATP Acides gras ATP 3 STRATEGIES : En période d’apport élevé : - Stocker (glycogène hépatique, lipides) En période de carence : -Mobiliser (glycogénolyse) -Produire de novo (gluconéogenèse) - Epargner le glucose en mobilisant des substrats de remplacement (lipolyse libérant des acides gras). 4 Principales voies du métabolisme glucidique Milieu extracellulaire Cellule Glycogène GLYCOGENOLYSE GLYCOGENOGENESE Glucose Glucose 6-Phosphate NEOGLUCOGENESE GLYCOLYSE VOIE DES PENTOSES PHOSPHATE Lactate Lactate Mitochondrie Pyruvate Acétyl-CoA CYCLE DE KREBS PHOSPHORYLATIONS OXIDATIVES DE LA CHAÎNE RESPIRATOIRE CO2+ ATP 5 II - Transport transmembranaire du glucose • Transporteurs de glucose Glut Famille de transporteurs présents sur toutes les cellules de l’organisme • Glut 1 à 4 : transporteurs de glucose de la membrane plasmique, • Glut 5 : transporteur de fructose, • Processus de diffusion facilitée : entrée ou sortie du glucose seul selon le gradient de concentration 6 Les différents types de transporteurs de glucose présents dans les cellules humaines 7 III - Métabolisme du glycogène 1 - Synthèse du glycogène : glycogénogénèse • structure : molécules de D-glucose engagées dans des liaisons α-1,4 et α-1,6 8 • présence dans le cytosol : surtout muscle et foie mais il y a un peu de glycogène dans beaucoup de tissus • synthèse nécessite de l’énergie sous forme d’ATP et d’UTP • Principales étapes : glucose G6P ATP G1P UTP ADP glycogène(n+1) UDP-G glycogène(n) UDP 2Pi 1. Phosphorylation du glucose G+ATP → G6P + ADP • glucokinase (une des isoformes d’hexokinase), faible affinité pour le glucose : foie pancréas • autres isoformes d’hexokinase, forte affinité pour le glucose : autres tissus 2. Interconversion réversible G6P ⇔ G1P : (enzyme : phosphoglucomutase) 9 – 3. Synthèse de l’UDP-glucose enzyme : UDP-glucose pyrophosphorylase réaction : Pyrophosphatase PPi + H2O •Bilan 2Pi Glucose 1-phosphate + UTP PPi + H2O Glucose 1-phosphate + UTP + H2O UDP-glucose + PPi 2 Pi UDP-glucose + 2 Pi –4. Amorce de la synthèse • sur une protéine : la glycogénine fixation covalente d’un glucose par autoglucosylation puis polymérisation d’une courte chaîne de glucose α 1-4. 10 – 5. Elongation des chaînes de glycogène par la glycogène synthase à partir d’UDP-glucose • Réaction • resynthèse de l’UTP : (nucléoside diphosphate kinase) UDP + ATP UTP + ADP 11 • 6. Formation des branchements en α 1, 6 • Environ tous les 10 glucoses • 7. Bilan à partir du G6P • ajouter une molécule de glucose à la molécule de glycogène à partir de G6P consomme une liaison riche en énergie d’ATP • 8. Bilan à partir du glucose • ajouter une molécule de glucose à la molécule de glycogène à partir du glucose libre consomme 2 liaisons riches en énergie d’ATP 12 2. Dégradation du glycogène : glycogénolyse • voie différente de la voie de synthèse • libère du G1P à partir des extrémités non réductrices par coupure des liaisons α-1,4 • libère du glucose libre à partir des extrémités non réductrices par coupure des liaisons α-1,6. G (Foie) (Muscle) 13 – 1. Coupure des chaînes α-1,4 par la glycogène phosphorylase • réaction de phosphorolyse • Pi : phosphate inorganique venant du milieu intra-cellulaire 14 – 2. Coupure des branchements • enzyme : enzyme débranchant avec deux activités • transférase • α-1,6 glucosidase : libère un glucose libre. – 3. Conversion G1P en G6P – 4. Libération du glucose libre par la glucose 6 phosphatase • enzyme qui n’existe que dans le foie (le rein et l’intestin) • G6P → G + Pi • étape finale de la glycogénolyse et de la néoglucogénèse hépatique 15 3 - Utilisation du glycogène hépatique et musculaire 16 4 - Régulation – 1. Vue générale de la régulation du métabolisme du glycogène Régulation réciproque, étroitement contrôlée de la synthèse et de la dégradation • foie : • • • • - synthèse de glycogène pendant les périodes post-prandiales - dégradation pendant les périodes post-absorptives • muscle : - synthèse de glycogène pendant les périodes de repos et après les repas - dégradation pendant l’exercice • régulation des trois enzymes clefs : - glycogène synthase, - glycogène phosphorylase, - phosphorylase kinase : enzyme qui active la glycogène phosphorylase : formée de plusieurs sous-unités dont une est la calmoduline qui lie le calcium. – 2. Premier niveau de régulation : Régulation allostérique Régulation par le niveau des métabolites et les besoins en énergie de la cellule 17 – 3. Deuxième niveau de régulation : Régulation covalente par les hormones, phosphorylation/déphosphorylation des enzymes sur Ser/Thr • forme a : active • forme b : moins active Pour les 3 enzymes : glycogène synthase / glycogène phosphorylase / phosphorylase kinase : • phosphorylation : glucagon, adrénaline • déphosphorylation : insuline • Mécanisme d’action des hormones Glucagon (foie) Adrénaline (foie-muscle) Insuline (foie-muscle) Récepteur Récepteur Protéine G ATP Adényl-cyclase AMPc + PPi Protéine kinase AMPc-dépendante (PKA) Protéine phosphatase 1 18 Contrôle coordonné de la glycogénolyse et de la glycogénogenèse Régulation covalente Glycogène synthase b PP1 Phosphorylase kinase b P PKA Glycogène synthase PP1 Phosphorylase kinase a a P Glycogène UDP-G Cycle du Glycogène Glucose 1-P Glycogène phosphorylase Phosphorylase b P a P PP1 Glucose PKA : activée par le glucagon (foie) et l’adrénaline (foie, muscle) PP1 : protéine phosphatase 1, activée par l’insuline (foie, muscle) 19 Activation de la phosphorylase kinase par le calcium (hormones dans le foie, contraction dans le muscle) Contrôle de la glycogène phosphorylase musculaire muscle : activation allostérique par l’AMP, inhibition allostérique par l’ATP de la forme b (déphosphorylée) Régulation covalente : – - phosphorylase a : équilibre en faveur forme R active, – - phosphorylase b : équilibre en faveur forme T inactive, – sauf si Ò AMP, Ô ATP Exercice musculaire intense : Ô ATP Ò AMP 20 NEOGLUCOGENESE • IV - Néoglucogénèse GLYCOLYSE ATP 1. Vue générale • • Glucose Glucokinase -1 ADP Glucose-6-P • rôle dans l’état post-absorptif (à distance des repas) • apport de glucose au cerveau, globules rouges, muscles en exercice ... • localisation hépatique (rénale et intestinale) • schéma comparatif de la glycolyse et de la néoglucogénèse dans le foie - sept des réactions de la glycolyse sont réversibles et sont utilisées dans la néoglucogénèse. - trois des réactions de la glycolyse sont irréversibles et sont contournées par 4 réactions spécifiques de la néoglucogénèse Glucose-6 phosphatase Glucose-6-P Fructose-6-P ATP Phospho-fructokinase-1 ADP -1 Fructose-6-P Fructose biphosphatase Pi Fructose-1,6-P Fructose-1,6-P Glyceraldehyde-3-P NAD+ Glucose Pi DHAP DHAP Glycéraldéhyde-3-P NAD- NADH NAD- NADH, H+ NADH, H+ 1,3-Biphosphoglycerate Glycérol-3-P ADP ADP 1,3-Biphosphoglycerate ADP +2 -2 ATP ATP ATP 3-phosphoglycérate Glycérol 3-phosphoglycérate 2-phosphoglycérate 2-phosphoglycérate – Phosphoénolpyruvate ADP Pyruvate kinase ATP + – -2 GDP PEP carboxykinase GTP 2 OAA Pyruvate NADH nombre de liaisons riche en énergie d’ATP formées ou consommées 1G 2 Lactate NAD + Lactate Pyruvate déshydrogénase Acétyl CoA TCA cycle ATP Phosphoénolpyruvate -2 Mitochondrie Pyruvate Pyruvate carboxylase OAA TCA cycle Lactate Alanine Acides aminés 21 Acides aminés – 2. Les trois étapes spécifiques de la néoglucogénèse : quatre réactions irréversibles 1. Carboxylation du pyruvate en oxaloacétate Enzyme : pyruvate carboxylase, localisation dans les mitochondries des cellules hépatiques (pas dans la muscle) Coenzyme : biotine, coenzyme de carboxylation lié de façon covalente à l’enzyme La première réaction est la formation de la forme activée de l’enzyme portant une carboxybiotine : nécessite une liaison riche en énergie d’ATP Biotine-enzyme + ATP + HCO 3 acétyl CoA CO 2 ~ Biotine-enzyme + ADP + Pi La deuxième réaction est la synthèse de l’oxaloacétate par carboxylation du pyruvate 2 CO ~ Biotine-enzyme + pyruvate Biotine-enzyme + oxaloacétate Régulation allostérique de la pyruvate carboxylase par l’acétyl CoA L’oxaloacétate synthétisé peut être utilisé soit dans le cycle de Krebs, soit pour la néoglucogénèse 22 • - 2. Transport de l’oxaloacétate dans le cytosol et conversion en phosphoénol pyruvate – Transport, deux possibilités : L’une est la réduction réversible en malate par la malate déshydrogénase avec du NAD+/NADH, H+ 23 • Décarboxylation et phosphorylation de l’oxaloacétate dans le cytosol : transformation en PEP. • • Enzyme : PEP carboxykinase (PEPCK), nécessite du GTP; utilisation d’une liaison riche en énergie 3. Déphosphorylation du F1,6 bisphosphate enzyme : F1,6 bisphosphatase 4. Déphosphorylation du glucose 6-phosphate enzyme : glucose 6-phosphatase fournit du glucose libre 24 5. Bilan énergétique Echange Nucléoside diphosphate kinase ATP + GDP ADP + GTP 2 lactate + 6 ATP → 1 glucose + 6 ADP + 6 Pi alors que le bilan de la glycolyse (1glucose → 2 lactate) est de deux liaisons riches en énergie d’ATP. 3. Les substrats de la néoglucogénèse • lactate et pyruvate : libérés par les cellules sans mitochondries + muscles en exercice • alanine : provenant de la transamination du pyruvate • glycérol : libéré par l’hydrolyse des triglycérides du tissu adipeux (intègre la voie au niveau des trioses-phosphate) • certains acides aminés 25 4. La néoglucogénèse et la glycolyse ont une régulation réciproque et coordonnée • voies hépatiques opposées, fonctionnant de manière alternative selon la situation nutritionnelle • régulation allostérique et covalente des enzymes et par la disponibilité des substrats • 3 étapes clés régulées par 7 enzymes clés – - étape glucose ⇔ G6P – - étape F6P ⇔ F16 bis P – - étape PEP ⇔ pyruvate • régulation covalente des enzymes : - pyruvate kinase active déphosphorylée - enzyme bifonctionnelle PFK2 (deux sites actifs différents) PFK2 phosphorylée : activité de phosphatase (dégradation du F2,6 bisP) PFK2 déphosphorylée : activité de kinase (synthèse du F2,6 bisP) 26 Glycolyse Néoglucogénèse Glucose Glucokinase Glucose 6-phosphatase Régulation allostérique Glucose 6-phosphate Fructose 6-phosphate F-2,6-BP + Phosphofructokinase AMP + ATP - Fructose 1,6bisphosphatase - F-2,6-BP - AMP + ATP Fructose 1,6-bisphosphate Phosphoénolpyruvate Insuline ATP - Pyruvate kinase Phosphoénol pyruvatecarboxykinase Pyruvate kinase-P Glucagon Pyruvate Oxaloacétate Pyruvate carboxylase + Acétyl CoA 27 Régulation de la glycolyse et de la néoglucogénèse : étape du fructose 2,6 bis-phosphate Glucagon Adrénaline Insuline Récepteur Récepteur Protéine Adényl-cyclase G ATP AMPc + PPi Protéine phosphatase Protéine kinase AMPc-dépendante (PKA) P F6P F6P P Néoglucogenèse F2,6-bis P kinase inactive P phosphatase active P kinase active ADP ATP PKA phosphatase inactive ATP ADP Glycolyse F2,6-bis P PFK2 : phosphofructokinase 2 Enzyme bifonctionnelle 28 • V - Voie des pentoses-phosphate 1. Vue générale de la voie • débute au G6P : située dans le cytosol Présente dans tous les tissus mais surtout foie, glande mammaire et tissus endocrines Première phase, fournit du NADPH, H+ Glucose 6-phosphate + 2 NADP+ + H2O H+ + CO2 ribose 5-phosphate + 2 NADPH + 2 Deuxième phase : interconversion des oses et possibilité de retour vers la glycolyse 29 G6P-DH 30 2. Deux phases : oxydative et non-oxydative Ø Une phase oxydative et irréversible produisant 2 NADPH, H+ oxydation du G6P en deux étapes avec décarboxylation Enzyme : Glucose 6 phosphate déshydrogénase - enzyme clef de la voie des pentoses phosphate - produit qui se transforme par isomérisation en ribose 5P - Une phase non-oxydative réversible : interconversion d’oses conversion en ribose 5P Æ biosynthèse des acides nucléiques conversion en F6P et glycéraldéhyde 3P Æ glycolyse 3. L’utilisation de la voie des pentoses : dépend des besoins de la cellule en NADPH, ribose 5P. • Rôle important pour fournir du NADPH, H+ nécessaire à – la synthèse des acides gras (foie, glande mammaire), – la synthèse des hormones stéroïdes (cortex surrénalien) – la détoxification des dérivés réactifs de l’oxygène qui sont toxiques. • Rôle de fourniture du ribose-5P pour la biosynthèse des nucléotides pour ADN et ARN + coenzyme à adénine (NAD, NADP, ATP, coenzyme A dans toutes les cellules). • Rôle pour l’utilisation des pentoses de l’alimentation. 31 • VI - Interconversion des oses 1. Métabolisme du fructose • Le fructose représente 15 - 20 % des calories journalières (environ 100 g/jour) surtout à partir du sucrose (saccharose) et des fruits. – Entrée dans la cellule par les transporteurs de glucose GLUT2, GLUT5 – Métabolisme : intégration dans la glycolyse ATP Fructose ADP Fructose 1-phosphate Aldolase hépatique Glyceraldéhyde + Dihydroxyacétone phosphate ATP ADP Glyceraldéhyde 3-phosphate • Le fructose n’étant pas stocké sous forme de glycogène, il conduit rapidement à la production d’ATP via le cycle de Krebs et à la synthèse d’acides gras s’il est apporté 32 en excès. 2. Métabolisme du galactose • Source alimentaire : lactose (lait et produits lactés) – Entrée dans la cellule par les transporteurs du glucose GLUT 1, GLUT 2 et les cotransporteurs SGLT – Métabolisme : transformation en G1P • Le galactose peut être soit utilisé à des fins énergétiques, soit stocké sous forme 33 de glycogène COURS DE BIOCHIMIE P C E M 1 2004-2005 METABOLISME LIPIDIQUE • • I - Vue d’ensemble II - Catabolisme des lipides 1. Lipolyse et régulation 2. Dégradation des acides gras 1. Activation des acides gras 2. Transport à travers la membrane mitochondriale 3. β-oxydation des acyl-CoA saturés 3. Rendement énergétique de l’oxydation d’un acide gras 4. Régulation de la β-oxydation 5. Cétogénèse Synthèse des corps cétoniques Utilisation des corps cétoniques III - Biosynthèse des lipides 1. Synthèse des acides gras : lipogénèse 1. Sortie de l’acyl-CoA des mitochondries 2. Formation du malonyl CoA et régulation de l’enzyme 3. Synthèse des acides gras 2. Source du NADPH nécessaire 3. Synthèse du glycérol-phosphate 4. Synthèse des triglycérides 5. Transport des triglycérides entre les organes et régulation 34 I - Vue d’ensemble du métabolisme lipidique 1-Digestion-Absorption 3-Stockage des TG 4-Libération des acides gras et du glycérol (lipolyse) 2 - Synthèse des acides gras (lipogénèse) et des TG 5-Oxydation des acides gras (et synthèse de corps cétoniques) TG : triglycérides 5-Oxydation Des acides gras 35 Les principales voies du métabolisme lipidique Triglycérides Estérification (Foie, tissu adipeux) Alimentation Acides gras Lipogénèse (Foie) Glucides Acétyl-CoA Lipolyse (Tissu adipeux) Acides gras ß-oxydation (Foie, muscles oxydatifs, cortex rénal..) Acétyl-CoA Cétogénèse (Foie) 2 CO2 POST-PRANDIAL Corps cétoniques POST-ABSORPTIF 36 Apport de lipides aux tissus après les repas : alimentation 1. Triglycérides alimentaires - Hydrolyse par la lipase pancréatique des liaisons ester Lipase pancréatique Triglycéride Monoglycéride + 2 acides gras - Entrée dans l’entérocyte - Resynthèse de triglycérides exportés vers le système lymphatique puis la circulation générale sous forme de lipoprotéines (chylomicrons) 2. Glucides alimentaires en excès 37 - Lipogénèse hépatique : aboutit à la synthèse de triglycérides - Exportés dans la circulation générale sous forme de lipoprotéines (VLDL) Métabolisme lipidique dans le muscle 38 Métabolisme lipidique dans l’adipocyte Foie Glycérol-P G Adipocyte Foie 39 Métabolisme lipidique dans le foie glycérol G NEOGLUCOGENESE 40 II - Catabolisme des lipides 1- Lipolyse et régulation • La principale forme de réserve énergétique de l’homme est représentée par les triglycérides stockés dans le tissu adipeux. • Chez un homme de 70 kg le tissu adipeux pèse environ 13 kg et représente 500 000 kJ ou 120 000 kCal. • L’hydrolyse des triglycérides est effectuée dans le tissu adipeux par la lipase hormono-sensible, LHS (régulée par les hormones) + autres lipases. 41 Libération des acides gras : lipolyse ADIPOCYTE VAISSEAU d Périlipine AG AG LHS AG AG Glycérol Les acides gras circulent liés à l ’albumine. Le glycérol peut-être phosphorylé en αglycérophosphate par une glycérol kinase et ré-utilisé dans le foie (néoglucogénèse) AG AG AG AG TG Glycérol Gouttelette de triglycérides LHS : Lipase hormono-sensible + autres lipases 42 Régulation de la lipolyse En situation post-absorptive, on observe une chute de l ’insulinémie et une augmentation des concentrations locales de catécholamines (adrénaline, noradrénaline) dans le tissu adipeux. Récepteur à l ’insuline Récepteur aux catécholamines Adénylate cyclase ATP AMPc + Phosphodiestérase AMP Périlipine P LHS P Protéine kinase A P AG AG AG TG P Gouttelette de triglycérides Catécholamines : activation de la PKA qui phosphoryle sur Ser la LHS et la périlipine Insuline : inactivation de la PKA par dégradation de l’AMPc 43 Transport des acides gras dans la circulation depuis le tissu adipeux vers les tissus utilisateurs. • Sortie du cytosol de la cellule adipeuse • Acides gras libres, non estérifiés : AGNE • Transport par l’albumine dans la circulation car hydrophobes • Entrée dans les cellules musculaires, cardiaques, hépatiques … où ils sont oxydés • Non utilisables par le cerveau (n’entrent pas), les globules rouges (n’ont pas de mitochondries), la médullaire rénale (peu d’oxygène) 44 2- Dégradation des acides gras dans les tissus utilisateurs par la voie de la β oxydation. Les principales étapes 1. Activation des acides gras 2. Transfert dans la matrice mitochondriale 3. β oxydation des acyl-CoA saturés 4. Cas des acyl-CoA insaturés 1. Activation des acides gras au niveau de la membrane externe du côté cytoplasmique des mitochondries enzyme : acyl-CoA synthétase CoA-SH : coenzyme A PPi : pyrophosphate Première réaction (en 2 étapes), réversible, transfert d’une liaison riche en énergie Deuxième réaction, irréversible, perte d’une liaison riche en énergie La réaction globale est irréversible et utilise deux liaisons riches en énergie de l’ATP 45 2. Transport des acyl-CoA dans la mitochondrie Deux enzymes carnitine palmitoyl transférase (CPT) situées dans la membrane externe (CPTI) et interne (CPTII) de la mitochondrie Une translocase dans la membrane interne échange l’acylcarnitine contre la carnitine Les pools de CoA du cytoplasme et de la mitochondrie sont différents. + 46 3. β-oxydation : La voie de la β oxydation comporte 4 réactions récurrentes permettant l’oxydation du Cβ des acyl-CoA et la libération de fragments à 2 C sous forme d’acétyl-CoA. •Cette voie est cyclique car chaque étape de 4 réactions part d’un acyl-CoA et aboutit à la formation d’un acyl-CoA (raccourci de 2 C) (hélice de Lynen). 47 séquence des 4 réactions dans la dégradation des acides gras : oxydation, hydratation, β α 1 oxydation et thiolyse. Acyl-CoA (n) 1 (enoyl-CoA) β α 1’ Acyl-CoA (n-2) Cycle de Krebs Etc... Acétyl-CoA 2 4 β α cétoacyl-CoA β α hydroxyacyl-CoA 3 1 (Acyl-CoA déshydrogénase) 2 (Enoyl-CoA hydratase) 3 (L-3 hydroxyacyl-CoA déshydrogénase) 4 Beta céto-thiolase 48 3. Rendement énergétique de l’oxydation d’un acide gras saturé. • Un tour d’hélice qui raccourcit de 2C Cn-acyl-CoA + FAD + NAD+ + (H20) + CoA Cn -2- acyl CoA + FADH2 + NADH, H+ + acétyl -CoA • Exemple du palmitoyl CoA (acyl CoA en C 16) = 7 cycles de réactions Palmitoyl-CoA + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 CoA + (7 H20) 8 acétyl-CoA + 7 FADH2 + 7 NADH,H+ • Chaque NADH, H+ oxydé dans la chaîne respiratoire permet la formation de 3 liaisons riches en énergie d’ ATP. • Chaque FADH2 de 2 liaisons d’ATP. • Chaque acétyl-CoA oxydé par le cycle de Krebs et la chaîne respiratoire fournit 12 liaisons d’ATP. • Le bilan de l’oxydation du palmitoyl-CoA est donc de : 7 x 3 + 7 x 2 + 8 x 12 = 131 ATP Le bilan de l ’oxydation du palmitate est de 131 - 2 = 129 liaisons d’ATP • 49 4. Régulation de la β-oxydation Inhibition de CPTI par le malonyl-CoA, empêche l’entrée des acides gras et la β-oxydation 50 5- Synthèse des corps cétoniques : La cétogénèse hépatique Dans le foie, l ’acétyl-CoA formé par la dégradation des acides gras peut entrer dans une voie métabolique appelée « Cétogénèse ». 1 Acétyl-CoA + Acétyl-CoA => Acétoacétyl-CoA 2 1 ß-cétothiolase 2 (Hydroxyméthylglutaryl-CoA synthase) (Hydroxyméthylglutaryl-CoA lyase) (3-hydroxybutyrate déshydrogénase) 3 Acétoacétyl-CoA + Acetyl-CoA => (3-Hydroxy-3-methyl-glutaryl-CoA) HMG-CoA 3 4 (3-Hydroxy-3-méthyl-glutaryl-CoA) => acide acétoacétique HMG-CoA 4 CH3-C-CH2-COOH Acide acétoacétique II NADH + H+ O Acétone volatile CH3-C-CH3 II O NAD + CH3-CH-CH2-COOH Acide 3-hydroxybutyrique I OH 51 Les corps cétoniques - Les corps cétoniques sont des composés hydrosolubles qui peuvent être oxydés. Contrairement aux acides gras, ils peuvent passer la barrière hémato-encéphalique et être utilisés comme substrat énergétique par le cerveau en remplacement du glucose en situation de jeûne. - Ils jouent un rôle majeur dans les adaptations au jeûne long et dans certaines périodes comme la période périnatale. - Le produit de décarboxylation non-enzymatique de l’acide acétoacétique est l ’acétone dont on peut détecter la présence dans l’haleine en tant qu’indice d’une cétose. 52 Utilisation des corps cétoniques. • • • • L’acétoacétate et le β-hydroxybutyrate diffusent hors des mitochondries hépatiques et passent dans le sang. Forme de transport des unités acétyl solubles dans l’eau. Sources énergétiques importantes pour les muscles cardiaque et squelettiques et le cortex rénal. Utilisation possible par le cerveau Acétoacétate Succinyl CoA Cycle de Krebs CoA transférase Succinate Acétoacétyl CoA CoA Thiolase • Le foie ne possède pas de CoA-transférase 2 Acétyl CoA 53 III Biosynthèse des lipides 1. Synthèse des acides gras : lipogénèse Lieu : surtout foie et glande mammaire en lactation, et à un moindre degré : tissu adipeux et reins • 1ère étape : Sortie de l’acétyl-CoA des mitochondries dans le cytosol. L’acétyl-CoA est produit dans les mitochondries par l’oxydation du pyruvate (venant du glucose, fructose), de certains acides aminés. Le citrate sort de la mitochondrie quand l’isocitrate déshydrogénase est inhibé par l’ATP présent en grande quantité. 54 • 2ème étape : Formation du malonyl-CoA. Acétyl-CoA carboxylase : enzyme à biotine. 55 3. Synthèse des acides gras. Vue générale de la synthèse et de la dégradation des acides gras. La β-oxydation se produit dans la mitochondrie La biosynthèse se produit dans le cytosol • Différences entre les voies de β-oxydation et de biosynthèse des acides gras. 1. Localisation subcellulaire, 2. Porteur du groupement acyl, 3. Donneur/accepteur d’électron, 4. Le donneur/producteur d’unités à 2 carbones. 56 L’acide gras synthase est un complexe multi-enzymatique. - dimère - chaque monomère a 7 activités enzymatiques différentes - plus un domaine qui lie de façon covalente une molécule de phosphopantéthéine (un des constituants du coenzyme A avec un groupement thiol terminal) = ACP « acyl carrier protein » - groupement thiol réactif d’une cystéine Représentation schématique de deux sous-unités multifonctionnelles de l’acide gras synthase associées têtebêche pour former un dimère actif. Domaine I Entrée des substrats et condensation Domaine II Réduction Domaine III 57 Mécanisme de la synthèse du palmitate par l’acide gras synthase Cys-SH : groupement thiol de la β acétyl ACP synthétase Pant-SH : groupement thiol de l’ACP Libération du palmitate 58 2. Sources du NADPH nécessaire à la synthèse des acides gras. • 1. Synthèse à partir de l’oxaloacétate Dans le cytosol Citrate → oxalo-acétate + acétyl-CoA Oxalo-acétate + NADH, H+ → Malate + NAD+ Malate + NADP+ → Pyruvate + NADPH, H+ + CO2 Le pyruvate entre dans la mitochondrie où il est carboxylé en oxalo-acétate Les 8 molécules d’acétyl CoA transférées dans le cytosol pour la synthèse du palmitate permettent de synthétiser 8 NADPH sur les 14 nécessaires. 2. Voie des pentoses phosphate : apporte les 6 NADPH, H+ supplémentaires nécessaires. 59 3. Synthèse du glycéro-phosphate - Synthèse à partir du glucose dans le foie et le tissu adipeux - Synthèse à partir du glycérol dans le foie 60 4. Synthèse des triglycérides - - - - Dans le foie : les triglycérides synthétisés sont exportés vers le tissu adipeux par les VLDL. Dans le tissu adipeux : les triglycérides sont stockés dans la cellule. Conversion de l’acide gras libre en acylCoA par l’acyl CoA synthétase. Synthèse d’un triglycéride a partir de 3 acyl-CoA et d’un glycérol-P Acyl-CoA Acyl-CoA Acyl-CoA 61 31 5. Transport des triglycérides dans la circulation : rôle des lipoprotéines, chylomicrons et VLDL CM : chylomicrons : TG + apoprotéines VLDL : TG + apoprotéines 62 REGULATION DU STOCKAGE Lors d ’un repas mixte (glucides + lipides), il y a formation de chylomicrons et élévation de la glycémie et de l ’insulinémie Aboutissant à l’exportation de la lipoprotéine lipase sur la paroi vasculaire. INSULINE Synthèse Translocation Lipoprotéine lipase LPL 63 Chylomicrons et VLDL (Lipoprotéines) Stockage sous forme de triglycérides AG LP AG AG AG AG AG AG AG VAISSEAU AG AG AG TG AG Transport AG 3 Acyl-CoA + Glycérol-P Glycérol Lipoprotéine lipase LPL Glycérol ADIPOCYTE CH2OCO(CH2)n CH3 I CHOCO (CH2)n CH3 I CH2OCO(CH2)n CH3 LPL CH2OH I + CHOH I CH2OH (Glycérol) 3 CH3(CH2)nCOO (Acide gras) 64 - En situation post-prandiale, le glycérol libéré par l’hydrolyse des TG des lipoprotéines par la LPL est métabolisé par le foie - Le glycérol-P peut être utilisé pour la synthèse des triglycérides puis des VLDL - La dihydroxyacétone-P est utilisée en priorité pour la glycolyse 65 Le métabolisme lipidique à l ’état post-prandial, en présence d’insuline Triglycérides (chylomicrons) Glucose TG Glycogène Triglycérides Glycogène + ATP VLDL Glucose ATP 66 Le métabolisme lipidique en situation post-absorptive TG Acides gras (liés à l ’albumine) + glycérol Acides gras/Albumine Acides Gras ==> ß-oxydation (épargne de glucose) Acides Gras ==> ß-Oxydation ==> énergie + corps cétoniques Alanine Lactate Glycérol Gluconéogenèse ===> Glucose 67 III REGULATION DU METABOLISME ENERGETIQUE • I - Données générales 1. Les réserves et les besoins 2. Les échanges métaboliques 3. Les niveaux de régulation • II - Action des hormones sur le métabolisme énergétique 1. Insuline 2. Glucagon 3. Adrénaline • III - Métabolisme énergétique en période post-prandiale • IV - Métabolisme énergétique en période post-absorptive • V- Une situation exceptionnelle : la naissance 68 . I. Données générales 1. Les réserves et les besoins • Réserves énergétiques de l ’organisme Glycogène hépatique 75 g Glycogène musculaire 300 g Glycémie sanguine 20 g – – Réserves énergétiques glucidiques = 60% de l’apport énergétique journalier 10-12 heures d’autonomie glucidique Triglycérides du tissu adipeux 13 000 g – Réserves lipidiques = 45 fois l’apport énergétique journalier Protéines musculaires 6 000 g 69 2. Les échanges métaboliques Les Muscles : d’un point de vue énergétique, il existe différents types de fibres musculaires. Fibres glycolytiques (blanches) Fibres oxydatives (rouges) - Vitesse de contraction Rapide Lente - Capacité glycolytique Elevée Faible -Capacité oxydative (mitochondries) Faible Elevée - Réseau capillaire Pauvre Dense - Myoglobine Faible Elevée - Réserve de glycogène Elevée Modérée - Type d ’exercice Intense, rapide (saut, sprint) Longue durée Exemple de muscle « Blanc » de poulet « Magret » de canard 70 Les substrats énergétiques du muscle 71 Rôle central du foie dans le contrôle de la glycémie 72 Échanges métaboliques entre le muscle et le foie. Exercice musculaire 73 3. Les quatre niveaux de contrôle du métabolisme et leur cinétique de mise en œuvre. 1. Disponibilité des substrats Mise en œuvre : minutes 2. Régulation allostérique des enzymes : activateurs, inhibiteurs Mise en œuvre : minutes 3. Modification covalente des enzymes : activation, inhibition Phosphorylation / déphosphorylation Mise en œuvre : minutes heures 4. Modification de synthèse des enzymes : régulation transcriptionnelle ou posttranscriptionnelle, induction, répression Mise en œuvre : heures jours • • Notion de compartimentalisation cellulaire Notion de spécialisation métabolique tissulaire 74 Enzymes hépatiques régulées par induction/répression de leur synthèse. Enzyme métabolique État dans lequel elle est induite /réprimée Voie Glucokinase Pyruvate kinase nourri nourri glucose G6P glycolyse Acétyl-CoA carboxylase Acides gras synthase nourri nourri glucose triglycérides glucose triglycérides Glucose 6P-déshydrogénase nourri voie des pentoses phosphate néoglucogenèse Phosphoénolpyruvate carboxykinase réprimée État nourri : hyperglycémie et insuline 75 Enzymes hépatiques régulées par induction/répression de leur synthèse. Enzyme État dans lequel elle est induite Voie métabolique Glucokinase Pyruvate kinase nourri nourri glucose G6P glycolyse Acétyl-CoA carboxylase Acides gras synthétase nourri nourri glucose triglycérides glucose triglycérides Glucose 6P-déshydrogénase nourri phosphate voie des pentoses Glucose 6-phosphatase post-absorptif Fructose 1,6-bisphophatase post-absorptif production hépatique de glucose (PHG) néoglucogénèse Phosphoénolpyruvate carboxykinase post-absorptif néoglucogénèse 76 II - Action des hormones sur le métabolisme énergétique INSULINE Hormone anabolique : mise en réserve des nutriments après un repas • • • • • • • secrétée par les cellules β du pancréas endocrine en réponse à l’hyperglycémie entrée du glucose dans les cellules (muscles et tissu adipeux) synthèse du glycogène (foie et muscles) glycolyse et synthèse des acides gras (foie) capture des acides gras et synthèse des triglycérides (tissu adipeux) capture des acides aminés et synthèse protéique (foie et muscle) 77 Hormones régulant le métabolisme énergétique GLUCAGON Hormone catabolique : mobilise les substrats énergétiques et maintient la glycémie en dehors des repas. • • • • • sécrété par les cellules α du pancréas endocrine en réponse à une baisse de la glycémie action surtout sur le foie favorise la glycogénolyse et la néoglucogénèse hépatique et inhibe la glycolyse : augmente la production hépatique de glucose inhibe la lipogenèse 78 Hormones régulant le métabolisme énergétique ADRENALINE ET NORADRENALINE Mobilisent les substrats énergétiques dans les situations de baisse de la glycémie, de stress et d’exercice musculaire. • • • • • • sécrétées par la médulo-surrénale (adrénaline) et le système sympathique (noradrénaline) en réponse à une baisse de la glycémie, au stress, à l’exercice musculaire stimulent la sécrétion de glucagon et inhibent la sécrétion d’insuline activent la glycogénolyse et la glycolyse surtout au niveau du muscle activent la production hépatique de glucose stimulent la lipolyse du tissu adipeux 79 Voies du métabolisme énergétique du foie dans l’état postprandial : rôle majeur de l’insuline 2 3 1 4 5 6 Métabolisme glucidique 1. action de la glucokinase 2. glycogénogénèse : activation de la glycogène synthétase et inhibition de la glycogène phosphorylase 3. voie des pentoses phosphate 4. glycolyse + inhibition de la néoglucogénèse Métabolisme lipidique 5. synthèse des acides gras 6. synthèse des TG et exportation sur les VLDL + inhibition - de la β oxydation (par malonyl CoA) 80 Voies du métabolisme énergétique du tissu adipeux dans l’état post-prandial 1 2 3 4 1. Entrée du glucose 2. Glycolyse et synthèse du GlycéroP 3. Synthèse des acides gras 4. Synthèse des TG + inhibition de la lipolyse 81 Voies du métabolisme énergétique du muscle squelettique dans l’état post-prandial 3 1 4 2 1. entrée du glucose stimulée par l’insuline 2. glycogénogénèse stimulée par l’insuline + glycolyse 3. entrée des acides gras provenant des lipoprotéines circulantes : LPL musculaire activée par l’adrénaline pas par l’insuline 4. synthèse protéique 82 Voies du métabolisme énergétique du cerveau Le cerveau a comme substrat énergétique unique le glucose à l’état physiologique : il en consomme 120 g/jour. 83 Métabolisme énergétique en période post-prandiale Le rapport insuline/glucagon est élevé ce qui favorise le stockage du glucose dans le muscle et84 dans le foie et la lipogénèse. Voies du métabolisme énergétique du foie dans l’état post-absortif: rôle majeur du glucagon 2 1 3 4 5 Métabolisme glucidique 1. Production hépatique de glucose 2. Glycogénolyse : activation de la glycogène phosphorylase et inhibition de la glycogène synthétase 3. Néoglucogénèse Métabolisme lipidique 4. β-oxydation 5. Cétogénèse 85 Voies du métabolisme énergétique du muscle et du tissu adipeux dans l’état post-absorptif Tissu adipeux - hydrolyse des triglycérides par activation de la lipase hormonosensible (adrénaline) 86 Voies du métabolisme énergétique du muscle et du tissu adipeux dans l’état post-absorptif Muscle Utilisation des AGNE et des corps cétoniques dans la β-oxydation Utilisation de glucose en cas d’exercice musculaire rapide 87 Métabolisme énergétique à l’état post-absorptif En situation post-absorptive (entre 4 et 12h après un repas), la PHG provient de la glycogénolyse et de la néoglucogénèse. Le foie utilise les AGNE et produit des corps cétoniques. Les muscles utilisent en priorité les AGNE et les corps cétoniques et utilisent du 88 glucose en cas d’exercice intense. V- Une situation exceptionnelle : la naissance BESOINS EN GLUCOSE ELEVÉS : (cerveau: 12% du poids du corps versus 2% chez l’adulte) Nourri continuellement par le cordon ombilical : Utilise essentiellement du glucose (métabolisme oxydatif). La fourniture de substrat cesse brutalement. Le nouveau-né est confronté à une période de jeûne glucidique plus ou moins longue suivie d ’un régime plutôt riche en graisse. Quelles sont les adaptations métaboliques mises en jeu? 89 Quelles sont les adaptations métaboliques mises en jeu? Le fœtus stocke de grande quantité de glycogène pendant le dernier trimestre de la gestation et des triglycérides dans son tissu adipeux. Le nouveau-né humain est un des nouveau-nés les plus gras à la naissance Stress fœtal (hypoxie) ==> adrénaline + noradrénaline ==> inhibition de la sécrétion d ’insuline, activation de la sécrétion de glucagon : - Glycogénolyse - Activation de la gluconéogenèse ==> production hépatique de glucose - Lipolyse dans le tissu adipeux blanc ==> libération d’AGL et de glycérol dans la circulation - Activation de la ß-oxydation et de la cétogénèse hépatique ==> libération de corps cétoniques pour le cerveau ==> épargne de glucose (les besoins en glucose sont élevés alors que la masse musculaire permettant de fournir des précurseurs gluconéogéniques est faible). - Chez le nouveau-né, un intervalle entre deux tétées (environ 5-6h) correspond en termes d’adaptations énergétiques à un jeûne de 48h chez l ’adulte. - Les nouveaux-nés prématurés, qui n ’ont pas stocké de glycogène hépatique et de lipides sont à90risque de développer des hypoglycémies néonatales.
