Métabolisme glucidique

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1 Métabolisme glucidique Introduction générale A. Rappel de thermodynamique B. Energétique cellulaire Métabolisme du glucose A. Digestion/absorption B. Glycolyse C. Interconnexion des oses : Fructose/galactose D. Néoglucogenèse E. Voie des pentose-phosphates Métabolisme du glycogène A. Catabolisme : glycogénolyse B. Anabolisme : glycogénogenèse P. Dufourcq

2 D. La néoglucogenèse I. Introduction II. Schéma général III. Réactions spécifiques 1 - Formation du phosphoénolpyruvate 2 - Passage du Fr-1,6-BP au Fr-6-P 3 - Passage du glucose-6-p au glucose IV. Bilan énergétique V. Lactate, Alanine, et Glycérol précurseurs de la néoglucogenèse VI. Régulation coordonnée de la glycolyse et de la néoglucogenèse 1 - La transformation Fr-6-P / Fr-1,6-BP est le point de contrôle majeur 2 - Régulation de la transformation pyruvate / PEP P. Dufourcq

3 I. Introduction D. La néoglucogenèse Néoglucogenèse : Formation de glucose à partir de composés non glucidique Le glucose est un substrat énergétique majeur pour de nombreuses cellules : Le glucose source d énergie nécessaire à toutes les cellules Indispensable aux cellules gluco-dépendantes (GR, Cerveau) Indispensable aux cellules qui en anaérobie dépendent de la glycolyse (muscle) Son apport (aux cellules) dépend de sa concentration circulante : la glycémie. But de la néoglucogenèse: maintien de la glycémie pour satisfaire les exigences énergétiques de l organisme Lieux de la néoglucogenèse : Foie (90%), rein, intestin P. Dufourcq

4 Quand? période de jeûne Lorsque plus d apport alimentaire et les réserves épuisées, seule la néoglucogenèse va pouvoir donner du glucose au cerveau et GR (gluco-dépendant) Activité musculaire en anaérobiose (recyclage du lactate) La synthèse de glucose nécessite 3 éléments: 1 substrat glucoformateur, des équivalents réduits (NADH) de l énergie (ATP/GTP) Principaux substrats (précurseurs) de la néoglucogenèse: Acides aminés glucoformateurs (essentiellement ALA) Lactate (et pyruvate) Glycérol P. Dufourcq

5 Les précurseurs de la néoglucogenèse : Glycérol (dégradation des TG), alanine (dégradation des protéines), lactate (glycolyse anaérobie) Tissu adipeux Triacyl-glycérol Acides gras libres Cellules sanguines Muscle Lactate Glycérol Néoglucogenèse Muscle Protéines Acides aminés Glucoformateurs (Alanine) Glucose P. Dufourcq Cellules sanguines Système nerveux central

6 II. Schéma général de la néoglucogenèse : Réactions inverses de la glycolyse : réactions réversibles Pour les 3 réactions irréversibles de la glycolyse : contournement 4 réactions de la néoglucogenèse P. Dufourcq

7 Glycolyse Glucokinase 1 Néoglucogenèse PFK1 2 PK 3 P. Dufourcq

8 Néoglucogenèse Glucose-6-phosphate 4 Glucose Fructose-6-phosphate 3 Fructose-1,6-bisphosphate 3-Phospho Glycéraldéhyde Pyruvate >PEP : 2 réactions Pyruvate carboxylase Phosphoenol pyruvate kinase : PEPCK 1,3-Bisphosphoglycérate 3-Phosphoglycérate 2-Phosphoglycérate Phosphoénolpyruvate 2 Oxaloacétate 1 Pyruvate Phospho Dihydroxyacétone P. Dufourcq

9 III. Réactions spécifiques de la néoglucogenèse 1. Formation du phosphoénolpyruvate 2. Passage du Fr-1,6-BP au Fr-6-P 3. Passage du glucose-6-p au glucose P. Dufourcq

10 1 - Formation du phosphoénolpyruvate (PEP) Pyruvate 1 2 PC Oxaloacétate PEPCK Phosphoénolpyruvate a) Formation de l oxaloacétate (OA) dans la mitochondrie Enzyme Pyruvate carboxylase est mitochondriale Pyruvate cytosolique, passage dans la mitochondrie Pyruvate transformé en oxaloacétate dans la mitochondrie PC : Enzyme à Biotine Pyruvate + CO 2 + ATP + H 2 O OA + ADP + Pi + 2H + Pyruvate carboxylase (PC) (E-biotine) P. Dufourcq

11 Pyruvate CO 2 + ATP ADP + Pi Pyruvate PC (1) Oxaloacétate Oxaloacétate 2 PEPCK cytosolique Phosphoénolpyruvate P. Dufourcq

12 b) Passage de l oxaloacétate dans le cytosol par l intermédiaire du malate ou de l aspartate : malate déshydrogénase (MDH), aspartate transaminase (ASAT) Pyruvate Pyruvate PC CO 2 + ATP ADP + Pi Oxaloacétate MDH NADH + H + NAD + Cytosol Oxaloacétate Malate Transporteur Malate/ α-cétoglutarate MDHc NADH + H + P. Dufourcq 2014 Malate NAD + 12

13 b) Passage de l oxaloacétate dans le cytosol par l intermédiaire du malate ou de l aspartate : malate déshydrogénase (MDH), aspartate transaminase (ASAT) Pyruvate CO 2 + ATP Cytosol PC ADP + Pi Oxaloacétate GLU ASAT a-cétoglu Oxaloacétate ASAT Aspartate GLU Aspartate a-cétoglu Transporteur glutamate/ aspartate P. Dufourcq

14 c) Formation du PEP à partir de l OA dans le cytosol O O O C C O CH 2 C O GTP GDP Phosphoénolpyruvate carboxykinase (PEPCK) O C O ~ PO 3 CO 2 CH 2 C O 2- Phosphoénolpyruvate Oxaloacétate Réaction réversible (cf réactions P. Dufourcq anaplérotiques du cycle de Krebs)

15 (1) (2) Pyruvate ATP PC ADP Oxaloacétate GTP PEPCK GDP Phosphoénolpyruvate Enolase 2-phosphoglycérate Glucose Pi Glc-6-phosphatase Glucose-6-phospate Fructose-6-phosphate (4) Phospho hexose isomérase 3-phosphoglycérate ATP ADP 1,3-biphosphoglycérate Phosphoglycérate mutase Pi Fr 1,6 BPase Fructose-1,6-Biphosphate Phosphoglycérate kinase Aldolase Pi Glycéraldéhyde-3P déshydrogénase 3PGA triose P isomérase PDHA P. Dufourcq (3)

16 III. Réactions spécifiques de la néoglucogenèse 1. Formation du phosphoénolpyruvate 2. Passage du Fr-1,6-BP au Fr-6-P 3. Passage du glucose-6-p au glucose P. Dufourcq

17 2 - Passage du Fr-1,6-BP au Fr-6-P Fr-1,6-BP + H 2 O Fr-6-P + Pi Fructose-1,6-bisphosphatase (F-1,6-BPase) 4 3 glucose-6- phosphatase F-1,6-BPase 3 - Hydrolyse du Glc-6-P en glucose Glc-6-P + H 2 O glucose + Pi glucose-6-phosphatase Enzyme présente au niveau de la membrane du réticulum endoplasmique Exprimée dans le foie 17

18 Hépatocyte Membrane plasmique Glc-6-P Glc-6-Pase Capillaire sanguin Lumière du RE Glc-6-P Pi Glc Glc GLUT2 Réticulum endoplasmique Augmentation Concentration de glucose Le Glc est ensuite libéré dans la circulation sanguine via le transporteur GLUT2 18

19 Pyruvate ATP PC ADP Oxaloacétate GTP PEPCK GDP Phosphoénolpyruvate Enolase 2-phosphoglycérate Glucose Pi Glc-6-phosphatase Glucose-6-phospate Fructose-6-phosphate Phospho hexose isomérase 3-phosphoglycérate ATP ADP 1,3-biphosphoglycérate Phosphoglycérate mutase Pi Fr 1,6 BPase Fructose-1,6-Biphosphate Phosphoglycérate kinase Aldolase Pi Glycéraldéhyde-3P déshydrogénase 3PGA triose P isomérase PDHA P. Dufourcq

20 Intérêt de la transformation du lactate en pyruvate : Formation du NADH + H + de manière à ce que la néoglucogenèse puisse avoir lieu Glucose 2 NADH 2 NAD+ 2 Pyruvate 2 Lactate LDH Etape de la 3-Phosphoglycéraldéhyde deshydrogénase dans le sens de la formation du 3-PGA Rq : le NADH, H+ peut aussi provenir de la conversion du malate en oxaloacétate P. Dufourcq

21 IV. Bilan énergétique de la Néoglucogenèse x2 Pyruvate ATP ADP PC Oxaloacétate GTP GDP PEPCK Phosphoénolpyruvate 2-phosphoglycérate 3-phosphoglycérate ATP ADP Enolase 1,3-biphosphoglycérate Phosphoglycérate mutase Phosphoglycérate kinase NADH, H + NAD + Glycéraldéhyde-3P déshydrogénase Pi Glucose Glc-6-phosphatase Glucose-6-phospate Fructose-6-phosphate Pi Phospho hexose isomérase Fr 1,6 BPase Fructose-1,6-Biphosphate 3PGA triose P isomérase 2 ATP 1 GTP Aldolase PDHA Pi 3C 3C P. Dufourcq x2 6C

22 Bilan énergétique de la Néoglucogenèse NEOGLUCOGENESE (à partir du Pyruvate) : 2 Pyruvate + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H 2 O Glucose + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD H + La néoglucogenèse est énergétiquement coûteuse. COMPARONS AVEC LA GLYCOLYSE (jusqu au pyruvate) : Glucose + 2 ADP + 2Pi + 2 NAD + 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H H 2 O P. Dufourcq 2014 Coût énergétique est nécessaire pour assurer l'irréversibilité de la néoglucogenèse et sa régulation 22

23 D. La néoglucogenèse I. Introduction II. Schéma général III. Réactions spécifiques 1 - Formation du phosphoénolpyruvate 2 - Passage du Fr-1,6-BP au Fr-6-P 3 - Passage du glucose-6-p au glucose IV. Bilan énergétique V. Lactate, Alanine, et Glycérol précurseurs de la néoglucogenèse VI. Régulation coordonnée de la glycolyse et de la néoglucogenèse 1 - La transformation Fr-6-P / Fr-1,6-BP est le point de contrôle majeur 2 - Régulation de la transformation pyruvate / PEP P. Dufourcq

24 V. Lactate, Alanine et Glycérol sont les 3 précurseurs de la néoglucogenèse Tissu adipeux Triacyl-glycérol Acides gras libres Cellules sanguines Muscle Glycérol Lactate Néoglucogenèse Muscle Protéines Acides aminés Glucoformateurs (Alanine) Glucose P. Dufourcq

25 Néoglucogenèse Glucose-6-phosphate 4 Glucose Fructose-6-phosphate 3 Fructose-1,6-bisphosphate 3-Phospho Glycéraldéhyde 1,3-Bisphosphoglycérate Phospho Dihydroxyacétone Glycérol 3-Phosphoglycérate 2-Phosphoglycérate Phosphoénolpyruvate Dufourcq 2014 Lactate 2 Oxaloacétate 1 Pyruvate Certains acides aminés Certains acides aminés 25

26 1) Le Lactate : Muscle (activité musculaire anaérobie), GR : lactate provient de la glycolyse anaérobie : passe dans la circulation sanguine et rejoint le foie LDH : lactate déshydrogénase : Lactate->Pyruvate (Foie) Dans le foie : production de pyruvate qui rejoint la néoglucogenèse O C O LDH O C O C O HO C H CH 3 Pyruvate NADH + H + NAD + CH 3 Lactate P. Dufourcq

27 Glycolyse anaérobie Néoglucogenèse Cycle de Cori Lactate Glycogène Pyruvate Glucose-6-P Glucose foie Lactate Glucose sang Lactate Pyruvate Glucose-6-P Glucose Muscle P. Dufourcq Glycogène

28 2) L Alanine : Catabolisme : protéine (normalement faible) Alanine produite par le muscle, passe dans la circulation Dans le foie : Transamination via ALAT : alanine aminotransférase COOH COOH COOH ALAT COOH CH-NH C = O CH-NH 2 + C = O + 2 CH CH 2 CH 2 3 CH 3 CH 2 CH 2 COOH COOH Alanine a- cétoglu. Pyruvate Glutamate L ALAT catalyse le transfert de la fonction amine de l alanine vers l α-cétoglutarate qu elle transforme en glutamate. P. Dufourcq

29 Conditions physiologiques et nutritionnelles normales : Catabolisme des AA musculaires est peu important Conditions de catabolisme des AA augmenté: Circonstances nutritionnelles particulières (régime hyperprotéique) Conditions pathologiques : Diabète non équilibré Jeûne prolongé P. Dufourcq

30 Catabolisme AA Néoglucogenèse foie Foie Cycle de l alanine Pyruvate NH + 4 urée Alanine Alanine Glycogène Glucose-6-P Glucose Glucose Alanine Muscle sang Acides aminés Protéines NH 4 + Pyruvate Glucose Conditions : jeûne prolongé/diabète P. Dufourcq

31 Lactate Pyruvate Alanine (AA glucoformateur) Glucose P. Dufourcq

32 3) Le Glycérol Produit de l hydrolyse des triglycérides (voir cours lipides) : TG alimentaires TG portées par des lipoprotéines circulantes (Chylomicrons, VLDL) TG du tissu adipeux P. Dufourcq

33 Glycérol: substrat de la néoglucogenèse rentre au niveau des triose-phosphates Glycérol kinase est exprimé par le foie (rein) Triglycérides Acides gras TG ATP ADP NAD + NADH + H + Glycérol Glycérol-3-P PDHA Glycérol kinase Glycérol-3-P deshydrogénase Glc Les acides gras ne sont pas des précurseurs du glucose chez les animaux P. Dufourcq

34 Néoglucogenèse Glucose-6-phosphate 4 Glucose Fructose-6-phosphate 3 Fructose-1,6-bisphosphate 3-Phospho Glycéraldéhyde 1,3-Bisphosphoglycérate Phospho Dihydroxyacétone Glycérol 3-Phosphoglycérate 2-Phosphoglycérate Phosphoénolpyruvate 2 Oxaloacétate Certains acides aminés P. Dufourcq 2014 Lactate 1 Pyruvate 34 Certains acides aminés

35 D. La néoglucogenèse I. Introduction II. Schéma général III. Réactions spécifiques 1 - Formation du phosphoénolpyruvate 2 - Passage du Fr-1,6-BP au Fr-6-P 3 - Passage du glucose-6-p au glucose IV. Bilan énergétique V. Lactate, Alanine, et Glycérol précurseurs de la néoglucogenèse VI. Régulation coordonnée de la glycolyse et de la néoglucogenèse 1 - La transformation Fr-6-P / Fr-1,6-BP est le point de contrôle majeur 2 - Régulation de la transformation pyruvate / PEP P. Dufourcq

36 V Régulation coordonnée de la glycolyse et de la néoglucogenèse (foie) La néoglucogénèse : Dans l organisme les besoins en glucose sont couvert par : Alimentation Glycogénolyse (dégradation des réserves de Glycogène) Néoglucogenèse L alimentation étant intermittente, le stock de glycogène faible, la néoglucogenèse participe activement au maintien de la glycémie pour satisfaire les exigences énergétiques de l organisme But de la régulation de la néoglucogenèse : entretenir le capital glucidique nécessaire aux tissus glucodépendant (cerveau, GR, muscle) Comment : régulation sur les enzymes clés 36

37 But de la glycolyse production ATP Néoglucogenèse et glycolyse ne doivent pas avoir lieu en même temps : Nécessité d une coordination entre les 2 Selon les conditions nutritionnelles et métaboliques Quand une est accélérée l autre est freinée P. Dufourcq

38 V Régulation coordonnée de la glycolyse et de la néoglucogenèse (foie) 1 - PFK1/ F1,6BPase - La transformation Fr-6-P / Fr-1,6-BP est le point de contrôle majeur 2 - PK/PC et PEPCK -Régulation de la transformation pyruvate / PEP P. Dufourcq

39 1 Régulation coordonnée PFK-1/F-1,6-BPase a) Contrôle métabolique Glycolyse Fr-2,6-BP AMP Fructose-6-P Citrate ATP F-1,6-BPase PFK ATP Citrate Néoglucogenèse P. Dufourcq 2014 Fructose-1,6-BP AMP Fr-2,6-BP (Relais du C. Hormonal) 39

40 b) Contrôle hormonal par l AMPc de PFK-2/FBPase-2 Le glucagon (AMPc) oriente vers la production de Glc et non vers la voie glycolytique : NEOGLUCOGENESE Pi Fructose-6- phosphate ATP Pi ATP + FBPase 2 PFK-2 H 2 O ADP PKA AMPc Fructose-2,6- bisphosphate Glucagon F-1,6-BPase PFK-1 H 2 O ADP Fructose-1,6-bisphosphate Diminution de Fr-2,6-BP Perte de l activation de la PFK- 1 par défaut de F-2,6-BP Levée de l inhibition du à la diminution du Fr-2,6-BP GLYCOLYSE 40

41 En période de jeûne : le glucagon Accélère la néoglucogenèse Freine la glycolyse P. Dufourcq

42 Hypoglycémie Foie pancréas Glucagon Cellule a Glucose Glycémie P. Dufourcq

43 Régulation du taux de glucose sanguin [Glc] Libération de Glucagon [Glc] Glc Fr-6-P Fr-1,6-BP F1,6BPase AMPc PKA Fr-2,6-BP Foie 43

44 2 Régulation coordonnée PK/PC-PEPCK Glycolyse - PEPCK Oxaloacétate PEP PK ATP - ALA ADP - PC + + Pyruvate F-1,6-BP AcétylCoA Néoglucogenèse P. Dufourcq

45 2 Régulation coordonnée PC par l acétylcoa AcétylCoA carrefour métabolique : produit par le catabolisme des AG (voir cours de Verneuil) Produit à partir du Pyruvate (devenir du Pyruvate en aérobie) P. Dufourcq

46 Glc PEP PEPCK Pyruvate PC + PDH Acétyl-CoA Oxaloacétate Néoglucogenèse Cycle de Krebs Citrate Acides gras Voir cours de H. de Verneuil b-oxydation CO 2, ATP AcétylCoA freine l entrée de OA dans le cycle de krebs et au contraire accélère la formation OA qui conduira à la néoglucogenèse. P. Dufourcq

47 3 - Régulation par le cortisol Hormone (glucocorticoïde) Synthétisé en fin de nuit P. Dufourcq

48 Augmente la Néoglucogenèse Synthèse des enzymes spécifiques: activation de la transcription des gènes codant pour PC (pyruvate carboxylase), PEPCK(phosphoénolpyruvate carboxykinase), F-1,6-BPase, Glc-6-Pase Augmente de catabolisme protéique Fourniture d acides aminés précurseur de la néoglucogenèse P. Dufourcq 2016 (voir cours H. de Verneuil) 48

49 Résumé du contrôle de la néoglucogenèse et glycolyse Charge énergétique forte Inhibe : La glycolyse Favorise : NGG Glucagon Inhibe : La glycolyse Favorise : NGG Cortisol Favorise : NGG P. Dufourcq