Biochimie et hysiologie du pancréas endocrine (C. Ged) 1- Les hormones pancréatiques Structure fonctionnelle du pancréas Insuline et Glucagon Somatostatine et polypeptide pancréatique 2- Régulation du métabolisme des glucides Adaptation au jeûne Hypoglycémie Résistance à l insuline L3-DCEM1 2012-2013 Structure fonctionnelle du pancréas Glande exocrine : acini pancréatiques Sécrétion du suc pancréatique nécessaire à la digestion trypsine, chymotrypsine, amylase Glande endocrine : îlots de Langerhans 4 types de cellules sécrétrices A ou α glucagon B ou β insuline D ou δ somatostatine F ou γ polypeptide pancréatique Contrôle du métabolisme intermédiaire des glucides (équilibre glycémique) des protéines et des lipides 1
Biosynthèse et sécrétion de l insuline Intron 1 Seq signal Intron 2 B C C A gène ARNm B C A B C A eptide signal eptide B eptide C eptide A Sites de clivage pré-pro-insuline Biosynthèse Cellules β des îlots de Langerhans récurseur de 110 AA : pré-pro-insuline Maturation dans le reticulum endoplasmique Transport dans le Golgi Stockage jusqu au stimulus sécrétoire Sécrétion Fusion des granules avec la membrane cellulaire Devenir Circulation sous forme libre (½ vie = 5 min) Dégradation par peptidases RE Vésicule sécrétoire Golgi Effets physiologiques de l insuline Effet net anabolisant : mise en réserve des glucides, des protéines et des graisses effets rapides (secondes) transport du glucose, des acides aminés, des électrolytes effets intermédiaires (minutes) stimulation de la synthèse protéique / inhibition du catabolisme activation enzymatique / inhibition enzymatique activation de la glycogène synthase et de la glycolyse inhibition de la glycogène phosphorylase, de la néoglucogenèse effets tardifs (heures) activation de la transcription de gènes cibles augmentation des ARN (ex: enzymes de la lipogenèse) 2
Effets physiologiques de l insuline Tissu adipeux entrée de glucose et de K + synthèse d acides gras et stockage de triglycérides inhibition de la lipase hormonosensible activation de la lipoprotéine lipase endothéliale Muscle Foie entrée de glucose, de K +, de corps cétoniques et d acides aminés synthèse de glycogène et de protéines diminution du catabolisme protidique (libération d AA glucogéniques) diminution de la libération de glucose synthèse de glycogène inhibition de la néoglucogenèse synthèse protéique et synthèse de lipides Généraux : stimulation de la croissance cellulaire Effets physiologiques de l insuline métabolisme glucidique entrée de glucose dans les tissus périphériques activation de la glycolyse (glucokinase) activation de la glycogénogenèse (glycogène synthétase) inhibition de la glycogénolyse (glycogène phosphorylase) inhibition de la néoglucogenèse (glucose-6-phosphatase, ECK) métabolisme lipidique mise en réserve des triglycérides dans les adipocytes synthèse des acides gras et incorporation dans les triglycérides inhibition de la lipolyse métabolisme des protides activation de la synthèse protéique entrée des acides aminés dans les cellules inhibition de la protéolyse contrôle de la croissance et du développement 3
Mécanismes d action de l insuline Les transporteurs membranaires de glucose famille de protéines transmembranaires (12 hélices α) GLUT 2 : cellules β de Langerhans GLUT 4 : muscle et tissu adipeux sensible à l insuline synthèse et fonctionnement activés par l insuline Le récepteur de l insuline messages métaboliques et mitogéniques Cellule non stimulée Transporteur R insuline du glucose ool IC de transporteurs associés aux endosomes Cellule stimulée par l insuline Domaine de liaison de l hormone Sous-unités α i 3 kinase Domaine tyrosine kinase Sous-unités β Transmission du signal par l insuline avec relocalisation des transporteurs à la membrane Amplification de la captation du glucose Voies de signalisation de l insuline insuline insuline R I AT AD AT AD AT AD R I IRS I-3K K-B D-K I-3K IRS protéine SOS AT AD petite protéine G hosphorylation de facteurs de transcription hosphorylation d enzymes du métabolisme MA kinases Activation de facteurs de transcription Inhibition de la transcription de ECK glycogène synthétase kinase synthèse protéique prolifération différenciation néoglucogenèse synthèse de glycogène 4
Contrôle de la sécrétion d insuline 1. Contrôle transcriptionnel : transcription de pré-pro-insuline Contrôle activateur : par l intermédiaire de facteurs transcriptionnels glucose : rôle dominant (facteur DX1) glucagon et GL-1: diffusion par contiguïté (Glucagon), (facteur de transcription CREB activé par AMc) GH, prolactine Contrôle par le système nerveux Stimulation par l adrénaline : récepteurs β1 Facteurs de transcription et région promotrice du gène INS Contrôle de la sécrétion d insuline 2. Contrôle de l expulsion du contenu des granules fermeture des canaux K + sensibles à l AT ouverture des canaux Ca ++ activation du système contractile expulsion du contenu des granules Contrôle métabolique niveau plasmatique de glucose (GLUT2, Glucokinase, AT) activation par les dérivés des protéines et des graisses (AT) activation par l AMc: glucagon, agonistes β adrénergiques K+ ouverture canal Ca sécrétion d insuline GLUT 2 glucose glycolyse Glucagon AT fermeture canal K AMc KA accumulation de K+ dépolarisation Ca++ activation du système contractile via la calmoduline 5
2. Contrôle de l expulsion du contenu des granules Contrôle hormonal Contrôle de la sécrétion d insuline Somatostatine, cortisol, leptine : effet inhibiteur effet INCRETINE : GI, GL-1, (sécrétine, glucagon, gastrine, CCK) (amplification de l insulinosécrétion par l absorption orale de glucose) Contrôle par le système nerveux Stimulation : acétylcholine / récepteurs β adrénergiques Inhibition : récepteurs α 2 adrénergiques l effet INCRETINE est diminué au cours du diabète de type II roposition de traitement par des analogues du GL-1 ou les inhibiteurs de sa dégradation 6
sulfonyurées meglitinide Dans le diabète de type II, la sécrétion d insuline peut être stimulée par des agents pharmacologiques : sulfonyurées, meglitinide (ligands des sous-unités SUR1 ou Kir6 du canal potassique) Le glucagon Structure : olypeptide de 29 acides aminés Biosynthèse : récurseur de 179 aa : pré-pro-glucagon cellules α des îlots de Langerhans, cellules L (tube digestif distal) et cerveau Devenir Stockage de pro-glucagon dans des granules de sécrétion Clivage en peptides actifs après stimulation Circulation sous forme libre (½ vie = 5 min) Dégradation hépatique par des peptidases proglucagon glucagon miniglucagon glicentine 1 160 42 61 50 61 ancréas (cellules A) FG oxyntomoduline 33 69 GR GL1, GL2 1 30 72 108 126 158 Tube digestif (cellules L) Cerveau 7
Effets physiologiques du glucagon Effet net = mobilisation des réserves énergétiques Maintien d une glycémie normale en période digestive Mobilisation rapide du glycogène au cours de l exercice musculaire intense Maintien d une glycémie normale au cours du jeûne court (néoglucogenèse) Hormone hyperglycémiante, lipolytique et cétogène cellules hépatiques glycogénolyse néoglucogenèse inhibition de la glycolyse activation enzymatique directe par phosphorylation d enzymes activation de la transcription (facteurs de transcription phosphorylés) cellules adipeuses hydrolyse des triglycérides cellules pancréatiques: sécrétion d insuline : cellules β Mécanisme d action du glucagon Interaction avec un récepteur membranaire couplé aux protéines G formation d AMc et activation de KA libération d I3 et de Ca ++ Mécanisme d amplification formation de miniglucagon activation d un récepteur spécifique couplé à une pompe à calcium accumulation de calcium dans le cytoplasme récepteur du glucagon Glucagon miniglucagon Ca++ I3 phospholipase C AT AMc adénylate cyclase Récepteur du miniglucagon pompe du calcium peptidase 8
Régulation de la sécrétion du glucagon Modulation par des substrats le glucose sécrétion stimulée par l hypoglycémie, inhibée par l hyperglycémie les acides aminés stimulent la sécrétion (arg, ala, AA glucoformateurs) les acides gras libres inhibent la sécrétion Modulation par voie hormonale : la sécrétion est - stimulée par les hormones gastrointestinales - inhibée par insuline, somatostatine, sécrétine Modulation par le système nerveux Stimulation par les agonistes β et SN sympathique Stimulation par les voies cholinergiques Inhibition par les agonistes α et GABA Les somatostatines Structure : polypeptides apparentés (séquence commune 14 AA) 28 acides aminés (système nerveux) 14 acides aminés (autres cellules) Biosynthèse : précurseur de 116 acides aminés (pré-pro-somatostatine) Cellules δ des îlots de Langerhans Tractus gastro-intestinal, hypothalamus et système nerveux central Stockage dans des granules de sécrétion (pancréas) 1 pro-somatostatine 64 78 92 somatostatine 28 somatostatine 14 1 1 28 14 Effets physiologiques système hypothalamo-hypophysaire inhibition de la sécrétion de GH, TSH, prolactine cellules des îlots de Langerhans inhibition de la sécrétion d insuline, glucagon et polypeptide pancréatique sur les cellules du tube digestif : inhibition des sécrétions 9
Mécanisme d action Les somatostatines Interaction avec un récepteur membranaire (SSTR 1 à 5) couplé aux protéines G inhibition de la formation d AMc Mode d action variable selon les cellules cibles endocrine paracrine (pancréas) autocrine Contrôle de la sécrétion Cellules pancréatiques Contrôle par le glucose et les acides aminés : stimuli sécrétoires Contrôle par les peptides hormonaux digestifs : stimuli sécrétoires Contrôle nerveux par acétylcholine et adrénaline (effet b 2 ) Tube digestif et système nerveux Contrôle nerveux Le polypeptide pancréatique Structure 36 acides aminés (Tyrosine terminale sous forme amide) Synthèse par les cellules γ des îlots de Langerhans (périphériques) Apparenté au - YY peptide présent dans l intestin - neuropeptide Y ( cerveau, système nerveux autonome) Effets physiologiques mal connus Ralentit l absorption des aliments Augmentation de la motilité intestinale Inhibition des sécrétions pancréatiques (activées par trypsine et bilirubine) Contrôle de la sécrétion - Activée par un repas protéique, le jeûne, l exercice, une hypoglycémie aiguë - Inhibée par somatostatine, perfusion de glucose - Contrôle cholinergique 10
2 Régulation du métabolisme des glucides A) L activité sécrétoire du pancréas est coordonnée B) Exercice musculaire et équilibre glycémique C) Les autres hormones I. Catécholamines II. Hormones thyroïdiennes III.Glucocorticoïdes IV. Hormone de croissance D) Explorations biologiques de base E) Carence insulinique : mécanismes physiopathologiques F) Excès d insuline : contrôle des hypoglycémies G) Résistance à l insuline B- Exercice musculaire et équilibre glycémique Augmentation de l entrée de glucose dans le muscle indépendamment de l insuline contrôle du nombre de récepteurs GLUT4 à la membrane Rose A J, Richter E A hysiology 2005;20:260-270 11
C- Les autres hormones Effets de l adrénaline sur les niveaux de glycogène tissulaire glucose et lactate sanguins (chez le rat) +100 % de variation / au niveau initial +50 Glycogène hépatique Glycémie Lactate -50 Glycogène musculaire Temps après injection d adrénaline (h) Ruch TC, atton HD : hysiology and Biophysics C- Les autres hormones 1- Catécholamines Libération de glucose par le foie Glc-6- Glucose (G-6-phosphatase activée) Activation de la phosphorylase musculaire glycogène Glc-6- pyruvate lactate Captation du lactate par le foie : conversion en glycogène Baisse de l utilisation périphérique du glucose Libération d acides gras dans la circulation (AGL) 2- Hormones thyroïdiennes : effet diabétogène Absorption intestinale de glucose otentialisation de l effet des catécholamines Dégradation de l insuline 3- Glucocorticoïdes : effet hyperglycémiant Effet permissif sur l action du glucagon Stimulation de la néoglucogenèse 4- Hormone de croissance (GH) : effet hyperglycémiant Mobilisation des réserves du tissu adipeux Effet anti-insuline pour l entrée du glucose Libération de glucose par le foie 12
C- Explorations biologiques de base 1- Glycémie à jeun : 4,4 à 6,6 mmol/l 2- Hyperglycémie provoquée par voie orale absorption de 75 g de glucose dans 250 ml d eau en 5 min mesure de la glycémie avant charge et après 2h 3- Glycosurie, cétonurie analyse semi-quantitative (bandelette) 4- Hémoglobine glyquée : Hb A 1 c reflet de l équilibre glycémique (des 4 à 6 semaines précédant le dosage) Test d hyperglycémie provoquée par voie orale Glycémie (mmol/l) Ingestion de 75 g de glucose dans 250 ml d eau en 5 min Diabétique 10 9 8 à jeun sujet normal < 6,4 mmol/l diabète > 6,4 mmol/l 7 6 5 Normal T 2H < 7,8 mmol/l > 11,0 mmol/l 0 30 60 90 120 150 180 Temps (min) 13
Hémoglobine glyquée HbA 1 c Hb A = α 2 β 2 (97% de l Hb totale) Hb A 0 non glyquée (ou glyquée sans changement de pi) Hb A 1 glyquée 6 à 8 % A 1a A 1b A 1c 4 à 6 % Chromatographie d échange cationique : profil normal A 0 Glc se fixe à l extrémité NH 2 de la β-globine (cétoamine) A 1a et 1b A 1c Carence insulinique Mécanismes physiopathologiques Signes cliniques polyurie polydipsie perte de poids polyphagie fatigue musculaire Signes biologiques hyperglycémie glycosurie cétose Mécanismes perte de la fonction glucostatique du foie pléthore EC / déficit IC altérations du métabolisme des protéines et des graisses 14
Carence insulinique Mécanismes physiopathologiques alimentation intestin AA glycérol foie lactate [Glucose] 16,7 mmol/l muscle rein urines cerveau tissu adipeux Carence insulinique Mécanismes physiopathologiques perte de la fonction glucostatique du foie pléthore EC / déficit IC altérations du métabolisme des protéines et des graisses Effets métaboliques 1. Réduction de l entrée du glucose dans le tissu adipeux et le muscle 2. Libération de glucose dans la circulation par le foie qui majore l hyperglycémie et la fuite rénale 3. Défaut d entrée des acides aminés dans le muscle 4. Augmentation de la lipolyse libération d acides gras (AGL) 15
Carence insulinique : erte de la fonction glucostatique du foie INSULINE ériode post prandiale Mise en réserve des glucides glucose glycogène G6 glucose synthèse d acides gras fourniture d énergie INSULINE glucose glycogène G6 glucose synthèse d acides gras fourniture d énergie hypersensibilité à une charge en glucose Carence insulinique : pléthore EC et carence IC Conséquences de l hyperglycémie : hyperosmolarité sanguine dépassement des capacités de réabsorption rénale diurèse osmotique - le glucose urinaire entraîne un volume d eau important - risque de déshydratation polyurie polydipsie G6 glucose glucose Carence en glucose intracellulaire catabolisme protidique et lipidique déplétion en glycogène accumulation de corps cétoniques perte de poids mobilisation des réserves de protéines et de graisses acides aminés glucoformateurs protéines acides gras glycolyse oxydation des acides gras en corps cétoniques cf : Jeûne physiologique 16
Carence insulinique : catabolisme protidique et lipidique Altérations du métabolisme protéique et lipidique dégradation des acides aminés en CO 2 et H 2 O activation de la néoglucogenèse (alanine) répression de la synthèse protéique dans le muscle Bilan azoté négatif Atrophie tissulaire Moindre résistance aux infections catabolisme lipidique accumulation de corps cétoniques répression de la synthèse des AG et TG inhibition de la lipoprotéine lipase endothéliale (tissu adipeux) Carence insulinique Restriction de l entrée de glucose Catabolisme protidique Catabolisme lipidique Hyperglycémie Glycosurie Diurèse osmotique AA plasmatiques azote urinaire AGL plasmatiques cétonémie, cétosurie erte de poids, hyperphagie, fatigue Risque majeur : déshydratation, acidocétose 17
Excès d insuline Le glucose est le seul combustible utilisé par le cerveau - les réserves sont très limitées - un fonctionnement normal suppose un apport continu Les effets de l hypoglycémie sont tous liés au système nerveux Les premiers effets sont liés à la décharge du SN autonome - palpitations - sueurs - nervosité sensation de faim qui permet de corriger le défaut En l absence de correction confusion, troubles cognitifs Excès d insuline : mécanismes compensateurs 1- Arrêt de la sécrétion endogène d insuline Somatostatine Glucagon Insuline 2- Mise en jeu des 4 hormones contre régulatrices - glucagon - adrénaline - GH - cortisol X Glut2 X glycogénolyse libération de glucose Glc β2 Adrénaline utilisation périphérique de glucose néoglucogenèse 18
Résistance à l insuline hénomène observé lors de l augmentation du poids corporel : alors que l insulinémie sanguine est élevée il y a une perte de fonction de l insuline défaut d entrée du glucose dans les cellules défaut de production de glucose par le foie hyperstimulation des cellules β pancréatiques risque d épuisement des cellules β diabète (carence partielle puis totale en insuline) des facteurs génétiques jouent un rôle dans le contrôle de la réserve des cellules β et le délai d installation du diabète Résistance à l insuline et tissu adipeux Le tissu adipeux contrôle la résistance à l insuline : par l intermédiaire de signaux produits par les adipocytes - niveau élevé de triglycérides circulants - peptides et protéines sécrétées par les adipocytes appelées adipokines qui agissent sur les muscles et le foie augmentation de la résistance à l insuline Les adipokines Agent Leptine Adiponectine Résistine TNFa Résistance à l insuline augmentée augmentée diminuée diminuée 19