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Aspects métaboliques du
Aspects métaboliques du
fonctionnement du
fonctionnement du myocyte myocyte cardiaque cardiaque
Danielle Feuvray
Université Paris XI
UMR CNRS 8078
[e-mail]
Muscle strié cardiaque (section longitudinale)
(X 400)
La cellule musculaire cardiaque qui est caractérisée par une activité
contractile permanente requiert un apport énergétique ou, plus exactement,
un flux d’énergie, élevé.
Ce flux élevé et permanent d’énergie (assuré par la synthèse de molécules
d’ATP) ne peut être entretenu que par un métabolisme de type oxydatif.
Le caractère oxydatif du métabolisme du myocarde est illustré par
l’abondance des mitochondries dans les cardiomyocytes (35 à 40%
du volume cellulaire, 1 mitochondrie/sarcomère).
mito

2
Transfert intracellulaire de l’énergie
Cr
PCr CK
CK
ATP ANT ATP
La production mitochondriale de l’ATP implique la notion de transfert de l’énergie vers le ou
les lieu(x) d’utilisation, principalement les myofibrilles.
Le système efficace qui intervient est celui qui met en jeu la phosphocréatine (PCr) et
l’enzyme créatine kinase (CK). La CK catalyse une réaction entre la PCr (qui agit comme
une "réserve" de groupements phosphates riches en énergie) et l’ADP, pour former de la Cr
et de l’ATP.
ATP
ADP
"The heart is a true metabolic omnivore", H. Taegtmeyer
Substrats métaboliques en condition de normoxie
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Normoxie Diabète
Ac. Gras
Glucose
Lactate
•Dans les conditions normales
où un flux coronaire adéquat
assure un approvisionnement
optimal en substrats,
l’oxydation des acides gras (à
LC) représente au minimum
60 % de la consommation de
O2, contre 16 à 18 % pour le
lactate et le glucose, et
environ 3% pour les corps
cétoniques.
•Après un repas riche en
lipides, en situation de jeûne
ou chez le diabétique, les AGs
représentent le substrat
essentiel du myocarde.
•Exercice physique: le lactate
sanguin est utilisé.
L’utilisation des substrats est fonction
des conditions nutritionnelles et hormonales
Acyl carnitine
Pyruvate
Glycolyse
β -oxydation
Acétyl CoA
PDHa CPT-2
Acyl-CoA
Acyl carnitine
PD
active
-
CPT-1
Acyl-CoA
GLUCOSE
Glut-1 Glut-4
Glucose
Glucose 6-P Glycogène
MgATP2-
MgADP-
Pi2-+
H+
AG(NE) (en C16 et C18)
AG(NE)
Membrane
mitochondriale
interne
NHE
Na+
NCX
Na+
Ca2+
Cycle
de
Krebs
NADH
&
FADH2
O2PHOSPHORYLATION OXYDATIVE
ADP + Pi ATP
MCT
LACTATE
LDH
Activité contractile
NBC
Na+
HCO3-
Sarcolemme
PFK
GAPDH
Acétyl CoA + CO2
Malonyl CoA
-
H+
Lac-
H2O
TG
ATP
Cardiomyocyte
FABPs
FAT/CD36

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Acyl carnitine
Pyruvate
Glycolyse
β -oxydation
Acétyl CoA
PDHa CPT-2
Acyl-CoA
Acyl carnitine
PD
active
-
CPT-1
Acyl-CoA
GLUCOSE
Glut-1 Glut-4
Glucose
Glucose 6-P Glycogène
MgATP2-
MgADP-
Pi2-+
H+
AG(NE)
AGL
Membrane
mitochondriale
interne
NHE
Na+
NCX
Na+
Ca2+
Cycle
de
Krebs
NADH
&
FADH2
O2PHOSPHORYLATION OXYDATIVE
ADP + Pi ATP
MCT
LACTATE
LDH
Activité contractile
NBC
Na+
HCO3-
Sarcolemme
PFK
GAPDH
Acétyl CoA + CO2
Malonyl CoA
-
H+
Lac-
H2O
TG
ATP
C’est un cycle de réactions mitochondriales dit cycle de l’acide citrique
(ou encore cycle des acides tricarboxyliques, TCA, ou cycle de Krebs),
qui fournit, à partir de l’acétyl CoA produit par la dégradation des
substrats métaboliques, les équivalents réducteurs (NADH & FADH2)
qui vont alimenter, en présence d’O2, la phoshorylation oxydative.
Celle-ci aboutit à la condensation d’ADP et de phosphate inorganique
pour régénérer l’ATP.
Le cycle de l’acide citrique est la voie commune finale de
l’oxydation des substrats ou molécules énergétiques.
L’acétyl CoA fournit l’acétate
qui se combine à l’acide oxaloacétique
pour former le citrate, premier élément
d’un cycle de réactions qui constitue le
cycle des acides tricarboxyliques.
Comment les différentes voies
d’utilisation de ces substrats sont-elles
contrôlées
contrôlées
et
régulées
régulées
?
Exemples :
¾(charge) travail cardiaque contrôle contrôle la vitesse d’utilisation
des substrats.
¾des changements coordonnés d’activités enzymatiques régulent régulent le
métabolisme des substrats.
¾autres …
Pyruvate
Acétyl CoA
Glut-1 Glut-4
PDHa
PD
active
PFK
GAPDH
Glycolyse
Glucose
Glucose 6-P
MgATP2-
ATP
Glut-1 intervient principalement dans le
transport basal de glucose.
La translocation de Glut-1 et de Glut-4
est stimulée par une ischémie modérée
(Young et al., Circulation 1997).
L’insuline secrétée lors d’une élévation
de la glycémie accélère l’incorporation
de glucose par Glut-4, et sa
phosphorylation par HK.
Hexokinase, HK
Glycogène
Insuline
Mb
Cycle
De
l’acide citrique
GLUT
translocation
ischémie
+
Mitochondrie
Insuline et métabolisme du glucose
Insuline et transport du glucose
Glut 1 Glut 4
GLUT
translocation
Insuline
Mb
+
Membrane Récepteur
Insuline
Kinase
(tyrosine)
IRS
P110c
P85r
CIBLES
= PI-3-KINASE (phosphatidylinositol-3-
kinase)
La "stimulation" de Glut-4
dépend strictement de la
PI-3-kin as e .
(Insulin- receptor substrate)
agit comme intermédiaire
pour associer différentes protéines
de la cascade de signalisation en aval.
Le récepteur de l’insuline est une
enzyme allostérique transmembranaire. La liaison de
l’insuline induit l’autophosphorylation et l’activation d’un
domaine tyrosine kinase (sur la face cytoplasmique de la
sous-unité β).
Inhibition par
wortmannin & LY294002
-
PI-3-
KINASE
PKB/
PKB/Akt Akt
(conformation et/ou
réarrangement
du cytosquelette?)
GLUT 4
La résistance sévère à l’insuline peut
résulter de mutations du gène du
récepteur, qui sont associées à la perte
de l’activité kinase.
phosphorylation
directe?
MAPK cascade?

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Les signaux intracellulaires signaux intracellulaires associés à la fixation d’insuline sur son récepteur
dépendent de l’activité de l’enzyme PI3-kinase. Le mécanisme d’activation
implique la mise en jeu d’une molécule intermédiaire, ou « adaptateur »,
appelée IRS (
insulin receptor substrate ).
Ð
Activation de la PI3- kinase
Ð
Production de seconds messagers messagers lipidiques : PtdIns(3,4,5,P3)/ PtdIns(3,4,5,P2)
ÓÐ
Phosphoinositide-dependent
protein kinase-1 (PDK-1)Ð
Ô
Décodage des signaux lipidiques par un un « «int inté égrateur grateur » »: la PKB : la PKB (ou Akt)
(PKB est une cible intracellulaire majeure)
Ð
Ð
PKB active
PKB active
[1ère mise en évidence du rôle de PKB dans la signalisation liée à l’insuline :
Cross et al., Nature 378; 785-789, 1995]
Ð
Phosphorylation par PKB
Phosphorylation par PKB (sur résidus sérine/thréonine) de prot proté éines ines
-
-cib le s cib le s intracellulaires intracellulaires
ÓÐ ÐÔ Ô
Inhibition de la PFK2 PFK2 Stimulation
Stimulation
glycogène synthase kinase (GSK3) Ð
Ðdu transport du transport
Glycolyse
Glycolyse de glucose de glucose
Ðvia translocation via translocation
Glycogène synthase active de de GLUT GLUT
-
-4
4
Ð
Synthèse de glycogène
Pyruvate
Glucose
Glucose
Glucose 6-P
Glycolysis GLUT
Cell membrane
PKB/Akt
IR
IRS
PP
Ð
PI3-K
Ð Ð
PtdInsP3
Glycogen
synthesis
Glycogen
Insulin
PFK2
GSK3
Phosphorylation¾Nuclear export of NFAT and GATA-4,
thus preventing their effects on gene expression.
Others :
pro-apoptotic
…
Glut-4
+
+
-
Glut-1
Insulino-résistance Île contrôle inhibiteur de la GSK3 est déficient = activité GSK3 trop
élevée. Son contrôle régulateur négatif de l’hypertrophie est levé ¾hypertrophie peut se
développer.
Les inhibiteurs de GSK3* augmentent les réponses à l’insuline dans différents systèmes
in vitro .
*ex: lithium, valproic acid, SB-216763, SB-415286, indirubin, …
In vivo?
La stimulation de la
synthèse du glycogène
met en jeu la
phosphorylation, c’est-à-
dire l’inactivation de la
GSK3. C’est ce qui se
passe dans le cœur
normal en présence
d’insuline.
2 isoformes de GSK3, αet β, qui ont des fonctions différentes. C’est GSK3β, qui apparaît
jouer le rôle majeur dans les myocytes cardiaques. Exerce un rôle régulateur négatif de
l’hypertrophie cardiaque. La GSK3 s’oppose aux effets de l’insuline.
Régulation intracellulaire intracellulaire de l’utilisation du glucose
Concentrations plasmatiques élevées d’acides gras
(c’est-à-dire supérieures à 0.8 mM) inhibition de l’utilisation du glucose, ainsi que du
lactate.
L’inhibition s’exerce au niveau de l’enzyme PFK; son activité est diminuée par l’élévation du
taux de citrate et de l’ATP cytosolique, alors qu’elle est à l’inverse stimulée par la diminution
de concentration d’ATP (plus précisément par ↑rapport AMP/ATP).
Toutefois, l’étape majeure de la régulation se situe au niveau du complexe enzymatique
pyruvate déshydrogénase (PDH),sur la face interne de la mb. mitochondriale interne. En
normoxie, la glycolyse anaérobie est couplée à l’oxydation du glucose: le pyruvate issu de la
glycolyse est décarboxylé par la PDH. Ce complexe enzymatique constitue une plaque
tournante au contrôle sophistiqué, dont l’activation conduit à l’oxydation du glucose,
tandis que son inhibition, à l’inverse, prévient cette oxydation.
Pyruvate
Acétyl CoA + CO2
PDH
active
PDH
inactive
kinase
phosphatase
+
β-oxydation Acides gras
Voie des pentoses phosphates et
stress oxydatif (ou oxydant)
"pentose phosphate pathway"
G6PDH = enzyme dont l’activité est régulée par le rapport NADPH/NADP+.
La production de NADPH lors de la conversion de G6P catalysée par la G6PDH, maintient le
glutathion dans son état réduit c’est-à-dire GSH.
Parallèlement, GSH alimente, via l’activité de la glutathion peroxydase (GPX), la transformation
de peroxyde d’hydrogène en H2O.
H2O2n’est pas une espèce radicalaire mais une espèce activée de O2(= ROS:
reactive oxygen
species
), et nombre de données expérimentales récentes ont montré que H2O2, à faibles [ ]
physio-pathologiques (allant de nano- à µ-molaires), joue un rôle important dans la signalisation
intracellulaire (“prolonged signaling effects“)
= glutathion
réduit

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•GPX knockout (GPX -/-) mice are susceptible to acute
oxidative damage.
•Conversely, overexpression of GPX renders mice
resistant
H2O2→H2O
GPX
Glutathion peroxydase
O2° + O2°→H2O2→2H2O + O2
SOD
Superoxyde dismutase
catalase
NO° +ONOO°
Peroxynitrite
très instable
“prolonged signaling effects“
anion superoxyde
Régulation de l’utilisation des acides gras "libres" (AGNE)
ou free fatty acids (= non estérifiés)
Acyl carnitine à LC
CPT-2
Acyl-CoA
Acyl carnitine
Acyl-CoA à longue chaîne
Triglycérides
AG(NE)
AG
CPT-1
translocase
Membrane
mitochondriale
interne
extracellulaire
intracellulaire
Transport membranaire des AGs (ac.
oléique, palmitique, …) fait intervenir
une translocase FAT/CD36*.
"Defect in human LCFA uptake is caused
by FAT/CD36 mutations." J Lipid Res 2001.
Dans le cytoplasme, de petites protéines
de liaison, ou FABPs (pour Fatty Acids
Binding Proteins) assurent le « trafic »
intracellulaire des AGs (Schaap et al.
Circ Res 1999).
Mb
acyl CoA synthétases
Matrice mitochondriale
Acétyl CoA
CO2 +
Acétyl CoA
NB – Les moyennes et courtes
chaînes d’acides gras (C2 à C12)
ne représentent qu’une fraction infime
des AG normalement oxydés par le myocarde.
CO2 +
Acétyl CoA
Malonyl CoA
-
CAT
PDHa -
ACC carnitine
carnitine
*Malonyl CoA inhibe l’activité CPT-1 via une interaction allostérique.
H-FABP
FAT/CD36
CoA
CPT-1 catalyse une étape importante de l’oxydation mitochondriale des AGs.
L’isoforme majeure dans le cœur adulte est le type musculaire M-CPT 1 .
AMPK phosphoryle et inactive des enzymes-clés,
en particulier inactive l inactive l’ ’ac acé étyl tyl CoA CoA carboxylase (ACC) carboxylase (ACC)
►entrée des AG dans la mitochondrie n’est plus freinée.
Autre acteur : l’AMPK (AMP-activated protein kinase).
"L’AMPK is an energy sensor in tissues, and specifically in heart."
Quand la charge énergétique de la cellule diminue (↓ATP/AMP et PCr/Cr), l’AMPK est activée.
Acétyl CoA + CO2Malonyl CoA
CPT-1
-
Cytosol
Mb. mitochondriale interne
AMPK
Matrice
ACC
Acyl CoA
Le malonyl CoA est un inhibiteur physiologique de
l’utilisation des acides gras
via l’inhibition
de l’enzyme CPT1.
Acétyl CoA + CO2▲Malonyl CoA
CPT-1
-
Mb. mitochondriale
interne
Matrice
▲ACC
Acyl CoA
Dans le cœur normoxique, l’insuline diminue l’activité AMPK
↓AMPK
X
Cytosol
PI3K
Acyl CoA
β-oxydation
ÐAcétyl CoA
carnitine
CAT
Pyruvate
▲PDHa
Glycolyse
Pyruvate
L’activation de l’AMPK par l’ischémie
est aussi inhibée par l’insuline.
(qui est sensible
à la wortmannine)
Acyl carnitine
carnitine
ª Par conséquent, l’insuline inhibe l’oxydation des acides gras
et stimule l’oxydation du glucose.