Présentation PowerPoint PDF

2Cours ED n°4 Voies métaboliques et Exercice physique Exercice physique violent, court, modéré, prolongé Activité physique (sollicitation) Etat repos Effort physique bref et intense (30 sec) Effort physique prolongé -ex. jogging 30 min -ex. marathon >2h Apport d’O2 8 Nous sommes samedi et Léa, étudi...

2Cours ED n°4 Voies métaboliques et Exercice physique Exercice physique violent, court, modéré, prolongé Activité physique (sollicitation) Etat repos Effort physique bref et intense (30 sec) Effort physique prolongé -ex. jogging 30 min -ex. marathon >2h Apport d’O2 8 Nous sommes samedi et Léa, étudiante en deuxième année de Pharmacie et sportive de bon niveau, débute la journée en prenant son petit-déjeuner avant de partir pour un long footing matinal. Question B1: Différentes voies métaboliques vont conduire à la production d'ATP au sein des cellules musculaires de Léa pour assurer son exercice physique (Figure n°1). Figure 1: Cinétique de production d'ATP dans le muscle de Léa lors se son exercice physique. Produc on d’ATP 1 2 4 3 5 secondes minutes heures La voie 1 correspond à la consommation initiale d'ATP intracellulaire, au tout début de l'exercice. Identifier les voies métaboliques 2, 3, 4 et 5 qui se mettront en place au cours de l'effort et seront sources d'ATP. Phase Anaérobie Phase Anaérobie -1 utilisation du pool intracellulaire d’ATP 2- Six Concepts de Base 2-1 L’ATP une monnaie d’échange L’énergie libérée par les voies cataboliques (oxydatives) est « stockée » sous forme d’ATP. L’ATP est une monnaie d’échange qui apporte l’énergie nécessaire aux réactions de biosynthèse, à la contraction musculaire, au transport actif des ions. Dans le but de maintenir une concentration stable en ATP : Adénylate Kinase : 2ADP → ATP + AMP 5 Phase Anaérobie -1 utilisation du pool intracellulaire d’ATP (et régénération) -2 utilisation du pool intracellulaire de créatine-P La demi-vie de l’ATP est très courte, de quelques sec. à quelques min. C’est une forme de transport de l’énergie. Ce n’est pas une réserve. La phosphocréatine + ADP ATP + créatine L’ATP est une monnaie d’échange énergétique Phase Anaérobie -1 utilisation du pool intracellulaire d’ATP (et régénération) -2 utilisation du pool intracellulaire de créatine-P -3 (Glycogénolyse et) glycolyse anaérobie Obligation de régénérer les coenzymes réduits : la LDH Pyr + NADH  Lac + NAD+ DG°’ = - 26 kJ/mole - en cas d’hypoxie ou d’anoxie (asphyxie) dans le muscle - globule rouge (pas de mitochondrie) - bactéries lactiques 68 11 14 15 Phase Aérobie 11 1° Raccourcissement des chaînes La glycogénolyse Glycogène phosphorylase : - exoglucosidase - phosphorolyse - transglycosylase : coupe liaison a1,4 et transfert de l’acide phosphorique sur l’extrémité non réductrice d’un glucosyl - coupe une liaison riche en énergie, récupérée par un composé riche en énergie - forme isozymique différente selon le tissu - action s’arrête à quatre unités glucose en amont d’une ramification (Glu)n + Pi → (Glu)n – 1 + Glc 1-P 2° Enlèvement des branches Enzyme débranchante : - a1,4 – a1,4 - transglycosylase prélève trois glucoses d’une branche et transfert sur une autre branche - a-glucosidase hydrolyse la liaison a1,6 et libère un glucose - non soumise à régulation 17 La glycogénolyse 3° Devenir du Glc 1-P Phosphoglucomutase : Glc 1-P → Glc 6-P - Étape intermédiaire : Glc 1,6-bisP - Hydrolyse du Glc 1-P : DG°’ = 21 kJ/mole - Hydrolyse du Glc 6-P : DG°’ = 14 kJ/mole - DG°’ (Glc 1-P → Glc 6-P) = - 7 kJ/mole - Réaction en faveur du Glc 6-P (Keq = 19) mais réversible du fait du mécanisme ping-pong de l’enzyme 4° Devenir du glucose 6-P Hépatocyte : glucose 6-phosphatase → glucose Muscle : Glc 6-P → glycolyse 18 69 12 1° Régulation allostérique par la charge énergétique Mesure le pool d’adénylate capable de transférer un –P et de l’énergie ATP + ½ ADP Charge = AMP + ADP+ ATP ATP# 2 à 5 mM ADP# 1 mM AMP# 0,3 mM ½ ADP car 2 ADP  ATP + AMP adénylate kinase Dans les cellules vivantes : charge # 0,93 La charge énergétique, à travers les concdes différents nucléotides –P, est un régulateur allostérique important dans de nombreuses voies métaboliques Il existe d’autres nucléotides –P que l’ATP, permettant les transferts d’énergie Ce type de régulation est surtout présente au niveau du muscle 21 L’AMPK une Kinase AMP dépendante - un senseur énergétique - un régulateur de l’homéostasie énergétique L’augmentation de l’AMP est le témoin d’un déficit énergétique cellulaire « situation de stress cellulaire » L’AMP se fixe sur la sous unité ϒ l’AMPK ce qui lui permet d’être phosphorylé par d’autres kinase sur sa sous unité α et la rendre active. Elle va induire toute une cascade de phosphorylation avec notamment l’inhibition de la voie mTOR. Enzyme ubiquitaire, l’AMPK participe à la régulation coordonnée du métabolisme énergétique, de la prise alimentaire et de la sensibilité des tissus en réponse à de nombreux signaux métaboliques et hormonaux. L’ AMPK active les voies produisant de l’ATP et inhibe celles consommant de l’ATP L’AMPK - un senseur énergétique - un régulateur de l’homéostasie énergétique Sur le muscle l’AMPK va : - augmenter l’influx du glucose (permet d’exprimer une petite quantité de GLUT4 à la membrane indépendamment de l’insuline - stimuler la b-oxydation des AG Sur le tissu adipeux l’AMPK va : - 1er temps : activation de la TGLHS (action renforcée par l’adrénaline). - 2nd temps, si la stimulation dure longtemps, entraine une désensibilisation de l’adipocyte à l’adrénaline dans le but de ralentir la lipolyse et d’entrainer une épargne de la réserve énergétique Dans le muscle, le signal AMPK est désactivé par la déphosphorylation de l’AMPK (protéine phosphatase) et par le contrôle de la concentration en AMP Contrôle de la concentration en AMP: 1) l’AMP désaminase AMP + H2O ⇆ IMP + NH3. Source de production de NH3 toxique (cf prochain cours-ED) 2) la 5’nucléotidase : AMP + H2O → adénosine + Pi Rôle vasodilatateur de l’adénosine important dans l’adaptation du système cardiovasculaire (avec l’action combinée du système sympathique (adrénaline) et du NO). 114 Phosphorylase kinase : quadruple hétérotétramère (a, b, g, d)4. 1200 kDa. g : sous-unité catalytique a et b : sous-unités régulatrices, régulées par phosphorylation/ déphosphorylation d sous-unité régulatrice régulée par fixation de Ca2+ mécanisme d’activation : soit fixation de Ca2+ sur la sous-unité d - sous l’influence du Ca2+ libéré par la contraction musculaire - sous l’influence du Ca2+ libéré par l’IP3 (vasopressine, angiotensine, catécholamines a1) dans le foie soit phosphorylation de b puis a par la PKA - sous l’influence du glucagon et des catécholamines (foie) ou des catécholamines (muscle) 28 116 117 2ème étape : Fru 6-P → Fru 1,6-bisP PFK-1 : enzyme clé de régulation Modulation uniquement allostérique Modulateurs négatifs : ATP, créatine-P (muscle), citrate (foie), H+ (muscle) Modulateurs positifs : AMP (muscle), Fru 2,6-bisP (foie, adipocytes) 74 2° Régulation allostérique par le fructose 2,6-bisphosphate PFK-2 Fru 6-P Fru 2,6-bisP (µmol/L) PBPase-2 Enzyme bifonctionnelle Plusieurs isoformes Régulation par phosphorylation/déphosphorylation - Dans foie et TA : forme phosphorylée (Ser) PBPase-2 active, PFK-2 inactive : Fru 2,6 bisP  - Dans muscle, régulation inverse Si phosphorylée, PFK-2 active, PBPase-2 inactive Fru 2,6 bisP  L’état de phosphorylation est essentiellement sous la dépendance du rapport insuline/glucagon et le cas échéant des catécholamines. Ce type de régulation est essentiel au niveau du foie et du tissu adipeux et complémentaire au niveau musculaire. 32 3ème étape : PEP → Pyruvate Pyruvate kinase Dans la plupart des cellules, la régulation est uniquement allostérique. Différentes isoenzymes - hépatique PKL - muscle, cerveau : PKM Allostérie Régulateur positif : Fru 1,6-BisP Régulateurs négatifs : témoins de pléthore énergétique ATP, citrate, acétyl CoA, AG et l’alanine (foie). Uniquement dans le foie, l’isoenzyme présente, la PKL, est également régulée par covalence, essentiellement en fonction du rapport insuline/glucagon insuline glucagon 77 Double Régulation de l’activité du complexe PDH 1- Inhibition allostérique par les deux produits (« Feed back » ou Rétrocontrôle) Acétyl-CoA inhibe E2 NADH, H+ inhibe E3 Pyruvate - CoA-SH NAD + Acétyl-CoA CO2 - NADH, H+ 34 Double Régulation de l’activité du complexe PDH 2- Contrôle par modification covalente de la sous-unité E1 : PDH (E1) Acétyl-CoA, NADH, ATP Inactive -- Pi PC PDH kinase Jeûne Phosphatase + + Ca2+ + Mg2+ ADP PDH Kinase ATP - Pi CoA-SH, NAD+ , ADP Pyruvate PDH (E1) Active -- OH nourri forme déphosphorylée PC et PDH toujours régulées en opposition Où, quand, comment, pourquoi ? - Muscle squelettique (Ca++) - Cœur (Adrénaline, R.α adré.) - Foie et TA (insuline) Et le cerveau ? Et le GR ? 36 Mobilisation des Triglycérides dans l’Adipocyte Activation de la Triglycéride Lipase Hormono Sensible (TLHS) par les Catécholamines Protéines G Les Catécholamines activent la PKA via l’AMPc T T translocation TLHS: Lipase HormonoSensible gouttelette de TG 100 X CPT1 si n > 12 souvent palmityl CoA CPT2 103 4-2-1-2 b oxydation des AG à 2n C Acide palmitique (étape d’activation) extra-mitochondrial intra-mitochondrial dernier tour supplémentaires β-cétothiolase 106 Déphosphorylation des enzymes du métabolisme du glycogène Les protéines phosphatases déphosphorylent la glycogène synthase (qui devient active), la glycogène phosphorylase kinase et la glycogène phosphorylase (qui deviennent inactives). La principale de ces protéines est la protéine phosphatase 1 ou PP1. inactif actif inactif actif inactif actif Arrêt de l’exercice musculaire Réalimentation 39 Pendant l’exercice ou le jeûne, la protéine phosphatase 1 est maintenue dans un état inactif pour permettre le maintien de la glycogénolyse. La PP1est régulée par l’état de phosphorylation de sa sous-unité régulatrice ou de son inhibiteur Muscle et foie muscle Première étape : dans le muscle, phosphorylation par la PKA de la sous-unité régulatrice de la PP1 musculaire : inactivation partielle de la PP1qui se détache (de même que la protéine régulatrice) Seconde étape : dans le muscle et dans le foie, phosphorylation par la PKA de l’inhibiteur de la PP1 ce qui l’active : inactivation totale de la PP1 40 DANS LE MUSCLE : En fin d’exercice musculaire, il y a nécessité d’arrêter la glycogénolyse Disparition des catécholamines > arrêt de l’activation de la PKA l’arret de la glycogènolyse est lancé par anticipation dès la contraction par le signal Ca2+ (signal calcium/calmoduline) qui à long terme qui va activer une protéine phosphatase PP2B laquelle à son tour : 1° déphosphoryle l’Inhibiteur de la PP1 → active la PP1 (l’activation de la PP1 musculaire se fait donc par la « voie PP2B ») 2° déphosphoryle la sous-unité a de la glycogène phosphorylase kinase La PP1 à son tour : déphosphoryle la glycogène phosphorylase kinase (sous-unité b) et donc l’inactive déphosphoryle la glycogène phosphorylase et l’inactive déphosphoryle la glycogène synthase et donc l’active Il y a arrêt de la glycogénolyse et le muscle est prêt pour une éventuelle glycogénogenèse (en attente de substrats) 41 131 132 129 Comprendre les besoins et la fonction de chaque organe Exemple : Le Muscle et ses Sources d’Energie (ATP) au Cours d’un Exercice Physique Glycolyse aérobie Glycolyse anaérobie Lipolyse ATP: environ 100g. Un homme au repos en consomme 40kg / 24h !!!! réserves limitées, autres sources énergétiques, coopération entre muscle, foie et TA 12 Nous sommes samedi et Léa, étudiante en deuxième année de Pharmacie et sportive de bon niveau, débute la journée en prenant son petit-déjeuner avant de partir pour un long footing matinal. Question B1: Différentes voies métaboliques vont conduire à la production d'ATP au sein des cellules musculaires de Léa pour assurer son exercice physique (Figure n°1). Figure 1: Cinétique de production d'ATP dans le muscle de Léa lors se son exercice physique. Produc on d’ATP 1 2 4 3 5 secondes minutes heures La voie 1 correspond à la consommation initiale d'ATP intracellulaire, au tout début de l'exercice. Identifier les voies métaboliques 2, 3, 4 et 5 qui se mettront en place au cours de l'effort et seront sources d'ATP. Produc on d’ATP 1 2 4 4 3 secondes minutes 5 heures Question B2: A propos de la voie 4 (Figure 1). a) Indiquer la nature du substrat et ses deux origines possibles b) Pour chacune de ces deux origines, préciser les mécanismes qui permettent la fourniture de ce substrat à la cellule musculaire. Question B3: Toujours, à propos de la voie 4 (Figure 1) et sans revenir sur l'origine des substrats ni sur la question précédente. a) Identifier la principale étape de régulation de cette voie. Ecrire la réaction concernée en indiquant le nom des substrat(s), produit(s) et enzyme b) Préciser le mode de régulation de cette réaction et détailler son mécanisme. Produc on d’ATP 1 2 3 4 4 3 secondes minutes 5 heures Question B4: A propos de la voie n°3 (Figure 1) La voie métabolique n°3 produit de l'ATP et un produit final particulier. a) Indiquer le nom de ce produit b) Ecrire la réaction qui conduit à la production de ce produit et expliquer le pourquoi de la production de ce produit final. Question B5: Indiquer l'avantage éventuel de la voie n°4 par rapport à la voie n°3 et expliquer pourquoi. Produc on d’ATP 1 2 4 3 5 5 secondes minutes heures Question B6: A propos de la voie 5 (Figure 1) Quelle est la nature du substrat de la voie 5 et son origine tissulaire? Décrire le(s) mécanisme(s) de production de ce substrat au sein de son tissu d'origine et son acheminement jusqu'à la cellule musculaire. Il est possible de s'appuyer sur un schéma.