Métabolisme du glycogène - Cours PDF

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INFO ou INTOX? http://www.startribune.com 1  INFO ou INTOX? « Hitting the wall » https://www.newscientist.com/article/mg23731600-600-can-you- avoid-hitting-the-wall/ https://www.iamlivingit.com/running/nutrition-your-way- past-the- 2 Défi des marathoniens … Franchir le mur des 32 km Epuisement des stocks de glycogène Besoin d’un autre carburant métabolique (oxydation des acides gras) 3 Au niveau musculaire par exemple…. 4  BIOCHIMIE MÉTABOLIQUE 2019-2020 5 UMONS – Pr. AE DECLEVES  Plan de Cours CHAPITRE 0. Rappel - Contexte CHAPITRE 1. Les glucides importants sur le plan physiologique CHAPITRE 2. Glycolyse et oxydation du pyruvate CHAPITRE 3. Le cycle du citrate CHAPITRE 4. La phosphorylation oxydative CHAPITRE 5. Métabolisme du glycogène CHAPITRE 6. Néoglucogenèse et contrôle de la glycémie CHAPITRE 7. Voie des pentoses phosphates et autres voies métaboliques CHAPITRE 8. Lipides importants sur le plan physiologique CHAPITRE 9. Oxydation des acides gras - cétogenèse CHAPITRE 10. Biosynthèse des acides gras CHAPITRE 11. Métabolisme des acylglycérols et des sphingolipides CHAPITRE 12. Synthèse, transport et excrétion du cholestérol CHAPITRE 13. Vue d’ensemble du métabolisme CHAPITRE 14. Métabolisme de l’azote 6  Plan de Cours CHAPITRE 15. Nucléotides et acides nucléiques CHAPITRE 16. Métabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques CHAPITRE 17. Structure et fonction des acides nucléiques CHAPITRE 18. Organisation, réplication et réparation de l’ADN CHAPITRE 19. Synthèse, maturation et métabolisme de l’ARN CHAPITRE 20. Synthèse protéique et code génétique CHAPITRE 21. Génie génétique 7  Biochemistry: concepts and connections. Ed. Pearson Chapitre 5: Métabolisme du glycogène 1. Rappel 2. Importance biomédicale 3. Voie de la Glycogénogenèse et de la Glycogénolyse 4. Régulation des 2 voies 5. Pathologies associées au métabolisme du glycogène 8 5.1 RAPPELS Matrice extracellulaire, polysaccharides des parois Glycogène, amidon végétales ou bactériennes Synthèse de Stockage polymères de structure GLUCOSE Oxydation via la voie des Oxydation via pentoses la glycolyse phosphates Ribose-5-phosphate Pyruvate 9 5.1 RAPPELS Matrice extracellulaire, polysaccharides des parois Glycogène, amidon végétales ou bactériennes Synthèse de Stockage polymères de structure GLUCOSE Oxydation via la voie des Oxydation via pentoses la glycolyse phosphates Ribose-5-phosphate Pyruvate 10 5.1 RAPPELS Les polysaccharides de réserve Amidon (plantes) = homopolymère de glucose (amylose + amylopectine) liaisons α 1 → 4 Figure 14–12. Amylose: structure hélicoïdale enroulée Amylopectine: ramification α 1 → 6 11 5.1 RAPPELS Les polysaccharides de réserve Glycogène (animaux) = homopolymère de glucose Figure 14–13. Liaisons α 1 → 4 Ramifications α 1 → 6 Protéine 37kDa: glycogénine 12 Sphère 21 nm diamètre 5.2 IMPORTANCE BIOMÉDICALE Glycogène: forme principale de stockage des glucides = polymère d’α-D-glucose ramifié Les particules dites β sont les particules élémentaires (21nm de diamètre) qui comprennent jusqu’à 55 000 résidus de glucose Ces particules β se regroupent pour former une forme en rosette, les particules α Illustration par microscopie électronique de particules α dans un hépatocyte 13 Chap 15. Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 5.2 Deux organes majeures – deux rôles différents du glycogène O principale de glucose l'homéostatie du rgane ↑ > Organe - le généreux Dans le foie: proportion de glycogène la plus importante ➔ Rôle = maintien de la glycémie entre les repas ou durant une période jeûne ➔ Consommation totale entre 12-18h de jeûn 14 5.2 Dans le muscle squelettique: proportion plus faible, mais masse globale des muscles > foie ➔ ¾ du glycogène sont musculaires ➔ Important pour la contraction musculaire (car source immédiate de G-6-P pour la glycolyse) ➔ pas de libération de glucose dans sang mais après glycolyse: presur e → pyruvate peut être transaminé en alanine se exporté vers le foie pour rentrer dans la néoglucogenèse 15 5.2 Réserves glucidiques pas retenir 16 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.2 Structure très ramifiée du glycogène: => nombreux sites d’attaque pour glycogénolyse => libération rapide de glucose-1-phosphate => activité musculaire Sport d’endurance: besoin de libération continue à bas niveau  technique de la « charge glucidique » = épuisement du glycogène, puis repas riche en glucides => synthèse glycogène moins ramifié 17 5.2 Pathologies Maladies de stockage du glycogène déficiences héréditaires d’enzymes de mobilisation du glycogène => dépôt de glycogène => faiblesse musculaire pouvant entraîner une mort prématurée 18 5.3 VOIES DE LA GLYCOGÉNOGENÈSE ET DE LA GLYCOGÉNOLYSE PAR ETAPES 19 5.3 VOIES DE LA GLYCOGÉNOGENÈSE ET DE LA GLYCOGÉNOLYSE Glycogénogenèse = biosynthèse du glycogène Fait intervenir un nucléotide spécial du glucose Glycogénolyse = hydrolyse du glycogène Surtout foie et muscles 20 5.3 Figure 19.1 glycogénogenèse glycogénolyse FOIE 21 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.1 1. LA GLYCOGÉNOGENÈSE Etape 1 dans le foie Hexokinase dans le muscle Figure 19–1. 22 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.1 Etape 2 = Glucose activé Réaction irréversible ΔG ˂ 0 limitante L'cenest pas une étape 23 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur Uridine diphosphate glucose (UDPGlc) ➔ glucose activé Connaitre Uracile Ribose 24 glucose Diphosphate Uridine Biochimie Pratt Ed. De Boeck Superieur 5.3.1 Etape 3 Amorce de glycogène Protéine: porte 1ier glucose sur 1 tyrosine 25 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.1 La glycogénine sert de point de départ ! Glycogénine possède une activité catalytique ! 26 5.3.1 Etape 3 Liaison glycosidique entre - C1 du glucose activé Glycogène (libération UDP) synthase - et C4 du dernier glucose du glycogène 27 5.3.1 Etape 4 28 5.3.1 Etapes de la glycogénogenèse: marquage métabolique Quand chaîne de 11 glucoses liés en α 1 → 4  enzyme de branchement coupe bloc de 6 résidus et transfère sur C6 d’un glucose du glycogène (α 1 → 6) Figure 19–3. Biosynthèse du glycogène. Mécanisme de ramification révélé par l’addition de glucose marqué au 14C à la ration alimentaire d’animaux, suivie de l’examen de leur glycogène hépatique à intervalles réguliers. 29 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur  RAPPELS Les polysaccharides de réserve Glycogène (animaux) = homopolymère de glucose Figure 14–13. Protéine 37kDa: glycogénine 30 Sphère 21 nm diamètre Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.2 Figure 19.1 glycogénogenèse glycogénolyse FOIE enzyme principale tout notre organisme in génome mais certains gines sont régulés = si cellule musculaire métabolisme ; fin du 31 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.2 2. LA glycogénolyse ➔ une voie distincte de la glycogénogenèse. Glycogène phosphorylase: ! = phosphorolyse et pas hydrolyse Glycogène n + Pi → glucose-1-phosphate + glycogène (n-1) 32 5.3.2 Question: Quelle est l’avantage d’une phosphorolyse dans cette voie métabolique? Particulièrement dans la cellule musculaire Libère du glucose qui est déjà phosphorylé out besoin dif d - besoin d'autre enzyme Donc par 33 5.3.2 Etape 1 La glycogène phosphorylase agit sur les extrémités non réductrices Glycogène phosphorylase 34 Chap 15. Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman  ➔ Enlèvement séquentiel des résidus glucose jusqu’à 4 résidus d’un branchement α 1 → 6 ➔Intervention d’une enzyme débranchant à deux activités enzymatiques : Activité de glucanotransférase Activité d’amylo-1,6-glucosidase ↳ /non phosphoryiel d liaison clive une glucosidique → ensuite la phosphorylase peut continuer 35 Chap 15. Lehinger – Principles of biochemistry, Freeman 5.3.2 Etape 1 et 2 Glycogène phosphorylase Enzyme débranchant 3 2activitésse es 36 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.2 Etape 3 réaction réversible Phosphoglucomutase 37 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.2 Etape Glucose-6-phosphatase dans le foie : production de glucose => exporté, ↑ glycémie ↳ dans la sanguine voie 38 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.3.2 Déphosphorylation du Glucose-6-phosphate dans le foie ➔ production de glucose => exporté, ↑ glycémie 39 5.4 RÉGULATION DES VOIES DE SYNTHÈSE ET DE DÉGRADATION DU GLYCOGÈNE 40 5.4 RÉGULATION DES VOIES DE SYNTHÈSE ET DE DÉGRADATION DU GLYCOGÈNE Régulation par une série d’enzymes qui sont alternativement P ou déP = Modification covalente réversible Note: Rôle majeur de l’AMPc Régulation par des effecteurs allostériques (dépendent de la condition métabolique et/ou du tissu) = Modification allostérique 41 5.4 RÉGULATION DES VOIES DE SYNTHÈSE ET DE DÉGRADATION DU GLYCOGÈNE glycogénogenèse glycogénolyse Contrôle réciproque 42 5.4 RÉGULATION DES VOIES DE SYNTHÈSE ET DE DÉGRADATION DU GLYCOGÈNE Abondance Disette/Stress adrenaline insuline glucagon glycogénogenèse glycogénolyse Contrôle réciproque 43 5.4 RÉGULATION DES VOIES DE SYNTHÈSE ET DE DÉGRADATION DU GLYCOGÈNE Abondance Disette/Stress glycogénogenèse glycogénolyse Contrôle réciproque [Insuline] élevée [Insuline] faible [Glucagon] faible [Glucagon] élevée [A, NA] élevée 44 5.4.1 Régulation de la glycogène Régulation de la glycogène synthase par modification phosphorylase par covalente modification covalente Kinase senzyme-Kinasete Opouvreur e t phos p hor y land enlève phosphate Phosphatase enzyme qui par hydrolyse du Code a = Actif 45 Code b = Moins Actif Biochimie de Pratt - DeBoeck 5.4.1 1. Régulation de la glycogène phosphorylase (glycogénolyse) ➔ régulée par modification allostérique et covalente réversible (P/déP) sous l’action d’hormone glycogénogenèse glycogénolyse Contrôle réciproque 46 5.4.1 1. Régulation de la glycogène phosphorylase (glycogénolyse) 1. Modification covalente réversible (phosphorylation – déphosphorylation) ➔➔ sous contrôle hormonal Glucagon et adrénaline 2. Régulation par modification allostérique 3. Autre régulation hormonale de la glycogène phosphorylase dans le FOIE! Vasopressine Ocytocine Angiotensine II 47 5.4.1.1 ❑ Le contrôle de la glycogène phosphorylase diffère entre le foie et le muscle pour l’action hormonale Glucagon = hormone peptidique de 29 aa, synthétisée et libérée par les cellules α du pancréas ([glucose]sg < 5mM) Catécholamines = dérivent de la tyrosine, synthétisée et libérée par les surrénales comme hormones X 48 5.4.1.1 Deux scénarios du rôle de ces hormones : ↓ [glucose]sg (quelques heures après un repas) → glucagon => signal au foie foie: doit libérer du glucose pour l’exporter Situation de stress – Mobilisation d’E adrénaline (épinéphrine) => Liaison sur ces récepteurs β- adrénergiques localisés sur: - muscles: libération de glucose pour contraction (glycogénolyse) - foie: libération de glucose (exportation) (glycogénolyse) 49 5.4.1.1 Cascades de signalisation déclenchée par le glucagon et l’adrénaline: β Rôle central de l’AMPc Modification a covalente réversible par la PKA active 50of Chap 15. Lehinger – Principles biochemistry, Freeman 5.4.1.1 Cascades de signalisation déclenchée par le glucagon et l’adrénaline: β Modification covalente réversible par la PKA active a Muscle: « égoïste » Glycogène sert à fournir du Foie: « altruiste » glucose-6-phosphate Glycogène sert à fournir du => glycolyse => ATP => glucose libre à exporter 51 contraction musculaire => maintien de la glycémie 5.4.1.1 L’AMP cyclique (ou acide 3’5’ adénylique): second messager assure la régulation de la glycogénolyse et de la glycogénogenèse sous l’action du glucagon et des catécholamines Activateur allostérique de la PKA con aire celebre a effectuer 52 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.4.1.2 Régulation supplémentaire = régulation allostérique ▪ Dans le muscle: β 1. Ca2+ = activateur allostérique de la phosphorylase kinase (se lie à une sous-unité δ = calmoduline) 2. 5’ AMP = activation allostérique de a la glycogène phosphorylase = indicateur de besoins en E car quand ↑ [ADP]  adénylate kinase: 2 ADP →ATP + 5’AMP 3. ATP et G-6-P = inhibiteurs allostériques de la glycogène phosphorylase 53 Rappel: Structure du 5’ AMP (adénosine monophosphate) Ne pas confondre avec le 5’AMPc connaitre Figure 32–6. 54 5.4.1.2 Régulation supplémentaire = régulation allostérique β ▪ Dans le foie: 1. ATP et glucose-6-phosphate = inhibiteurs allostériques de la a glycogène phosphorylase 2. Glucose = inhibiteur allostérique de la glycogène phosphorylase 55 5.4.1 Contrôle de la glycogène phosphorylase Ex. Résumé dans le Muscle adrénaline Figure 19–6. ⑳geine mine "inhibiteur de L garde Donc les Ort PKA (= phosphorylée) insuline (= phosphorylée) 56 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.4.1.3 Contrôle de la glycogène phosphorylase Ex. Résumé dans le Muscle ➔ Inactivation de la protéine phosphatase-1 maintient adrénaline de l’activation de la glycogène phosphorylase Figure 19–6. PKA Active par la pka Inhibe la phosphatase (= phosphorylée) (= phosphorylée) 57 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.4.1.3 Contrôle de la glycogène phosphorylase adrénaline Figure 19–6. PKA (= phosphorylée) (= phosphorylée) 58 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.4.1.3 Contrôle de la glycogène phosphorylase La glycogène phosphorylase est inactivée par déphosphorylation par la protéine phosphatase 1 (Dia précédente) - déphosphoryle : - la phosphorylase kinase: forme a active ➔ forme b inactive - la glycogène phosphorylase: forme a active ➔ forme b inactive Contrôle de la protéine phosphatase 1 par l’inhibiteur-1: qui est actif si phosphorylé par PKA 59 5.4.1.3 Contrôle de la glycogène phosphorylase AMPc, via l’activation de la PKA, contrôle à la fois l’activation de la phosphorylase et le maintien de l’inactivation de la phosphatase 60 5.4.2 2. Contrôle de la glycogène synthase Si disette/stress, la glycogène phosphorylase est active car (glucagon ou A/NA), donc la synthase doit être inactive! Effet inverse de la phosphorylation pour la glycogène synthase - phosphorylée ➔ inactive (Forme b) - déphosphorylée ➔ active (Forme a) Inactivation par phosphorylation via ~11 ≠ protéines kinase dont : - PKA dépend de l’AMP cyclique diabetes 1)- la glycogène synthase kinase 3 (GSK3) ↳ médicaments - 61 5.4.2 2. Contrôle de la glycogène synthase Si abondance, la glycogène synthase est active car insuline : Si abondance, l’insuline : Lève l’inhibition de la protéine phosphatase-1 d’où déP de la glycogène synthase et activation 62 5.5 CONTRÔLE RÉCIPROQUE DE GLYCOGÈNE SYNTHASE /PHOSPHORYLASE I. Contexte physiologique de ‘manque de glucose’: [AMPc] ↑↑↑ ➔ Activation de la PKA - phosphoryle la glycogène synthase => switch en forme b inactive - phosphoryle la phosphorylase kinase => switch en forme a active qui phosphoryle la glycogène phosphorylase => switch en forme a active Glycogénolyse 63 5.5 II. Contexte physiologique de ‘beaucoup de glucose’: Activation de la Protéine phosphatase 1 - déphosphoryle la glycogène synthase => switch en forme a active - déphosphoryle la glycogène phosphorylase => switch en forme b inactive Glycogénogenèse 64 5.5 CONTRÔLE DE GLYCOGÈNOLYSE ET GLYCOGÈNOGENÈSE PAR PKA Figure 19–8. adrénaline Cible 3 ( phosphorylée) de PKA Cible 1 Cible 2 de PKA PKA de PKA (phosphorylée) (phosphorylée) 65 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.6 PATHOLOGIES ASSOCIÉES AU MÉTABOLISME DU GLYCOGÈNE Travail remarquable dans le métabolisme des glucides et particulièrement du glycogène (cycle des Cori – voir chap 2) 4 Carl et Gerty Cori dans leur laboratoire de l’université de Washington Biochimistes Prix Nobel de Médecine en 1947 66 5.6 Mme Cori – intérêt pour les maladies génétiques humaines associées à un stockage excessif de glycogène dans le foie. identifia le défaut biochimique (quelle enzyme était affectée) associé à beaucoup de ces pathologies; Diagnostic possible à partir de biopsies grâce à des tests biochimiques testant ≠ enzymes du métabolisme du glycogène. 67 5.6 PATHOLOGIES ASSOCIÉES AU MÉTABOLISME DU GLYCOGÈNE Pas connaitre le tableau = les Glycogénoses al maladie · 68 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur 5.6 PATHOLOGIES ASSOCIÉES AU MÉTABOLISME DU GLYCOGÈNE = les Glycogénoses http://www.glycogenoses.org/les-glycogenoses/glycogenoses-le-guide/ https://www.orpha.net/consor/cgi-bin/OC_Exp.php?lng=FR&Expert=366 69 Biochimie Harper Ed. De Boeck Superieur Type Caractéristique Majeure Outils 70 ➔ Grâce à des dosages biochimiques et des tests génétiques 71 5.6 PATHOLOGIES ASSOCIÉES AU MÉTABOLISME DU GLYCOGÈNE Mutation au niveau du gène codant la glycogénine → Empêche l’activité de polymérisation et donc formation de l’amorce nécessaire à la formation du glycogène. → Faiblesse musculaire, fatigue musculaire et déplétion de glycogène hépatique, et arythmie cardiaque. 72 73 5.7 CONCEPTS FONDAMENTAUX Le substrat de la glycogène synthase est l’UDP-glucose, dont la production coûte de l’énergie libre d’une liaison phosphoanhydride. Processus exergonique irréversible Rôle majeur de l’UTP dans la synthèse du glycogène. Le glycogène est phosphorolysé pour former du glucose, qui peut ensuite sortir de la cellule (foie) ou être catabolisé par glycolyse. La glycogène synthase et la glycogène phosphorylase sont régulées de manière réciproque. L’AMPc joue le rôle de second messager dans la régulation du métabolisme du glycogène: assure la régulation de la glycogénolyse et de la glycogénogenèse sous l’action du glucagon et des catécholamines activateur allostérique de la PKA 74 5.8 Question: Quel est le bilan net de production d’ATP lors de la glycolyse (aérobie) au départ du catabolisme du glycogène? 75 5.8 Question: · Décrivez l’influence d’une concentration de glucose sanguin élevée sur la régulation du métabolisme du glycogène et de la glycolyse dans une cellule hépatique? (Précisez les effecteurs de cette régulation, aidez-vous d’un schéma) 76 5.8 Révision des Concepts ✓ Identifier les substrats et produits de la glycogénogenèse et de la glycogénolyse. ✓ Comparer les besoins en énergie libre de chaque voies. ✓ Donner la liste des destins métaboliques du glucose-6-P. ✓ Décrivez le rôle de l’UTP dans le métabolisme du glycogène. ✓ Avantage de la phosphorylation du glycogène au cours de sa dégradation. 77