Métabolisme cardiaque membranaire et énergétique

5 mars 2013 Métabolisme cardiaque membranaire et énergétique A. Grynberg Centre de Recherches en Nutrition Humaine d Ile de France Faculté de Médecine, Université Paris 13

Le cœur est une pompe > 30 Kg ATP / j < 1g ATP en stock 95 000 bat/j 900 lit/j Le cœur est un four

Energétique cardiaque Le muscle cardiaque utilise 1 mm ATP par seconde Son stock d ATP ne lui permet que 3 battements >90% énergie provient de la respiration mitochondriale Le volume mitochondrial représente 30% du volume cellulaire > 90% de l énergie est produite sous forme de PCr Au cours d un exercice intense, le coeur utilise plus de 90% de ses capacités oxydatives Le cœur a besoin d un système efficace de transfert d énergie

Energétique cardiaque Oxydation des substrats Production de l ATP Phosphorylation oxydative Transfert aux sites d utilisation

La mitochondrie au cœur de la cellule

Mitochondrie Cycle de Krebs Transport d'électrons Crêtes Espace intermembranaire Matrice M. externe M. interne

ADN mitochondrial code pour: 13 protéines ETC 22 ARNt 2 ARNrib Il provient toujours de la mère

Mitochondries interfibrillaires et subsarcolemmales

Circuit cardiaque de l énergie ATP + Creatine CK PCr + ADP Transfert d énergie ATP PCr Cr PCr Cr ADP ATP Transfert de signal mitochondrie myofilaments ATP synthase Translocase CK

L oxydation des substrats et sa régulation La problématique de l oxygène

Pyruvate Acides gras Glucose Glycogène Lactate Acides aminés autres Le cœur est un omnivore métabolique

Relation linéaire entre consommation d'oxygène et travail QO2 (µmole/min/gww) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 Contractilité (x10 4.mmHg.min -1 )

Performance du coeur dans l insuffisance cardiaque expérimentale Travail et consommation d oxygène sont diminués dans l IC 9 VO 2 (QO 2, µmol O 2.min -1.gww -1 ) 8 7 Sham IC 6 5 (De Sousa et al. 1999) 4 1 2 3 4 5 6 Work, (RPP, 10 4 mhg.beat -1.min -1 )

Pas de relation univoque entre travail cardiaque et contenus en ATP ou PCr contractilité en % du contrôle 120 100 80 60 40 20 0 ATP 0 2 4 6 8 10 12 14 120 100 80 60 40 20 0 PCr 0 5 10 15 20 25 30 Stepanov et al 1997,

Métabolisme cardiaque du glucose

Uptake du glucose (GLUT1) Glucose Glut 1

Uptake du glucose (GLUT4) Insuline PIP2 PIP3 Glucose P IRS-1 tyr P ser IRS-1 P P PI3K Akt IRS-1 Glut 4

Oxydation du glucose Glycolyse : Production d énergie anaérobie PDH lactate Oxydation du pyruvate : Production d énergie aérobie

La glycolyse Glucose mitochondries Dégradation du glycogène Lactate

La glycolyse 2 ATP consommés Le glucose (C 6 ) est brisé en 2 molécules en C 3 (PGAL) 2 H + et 2 électrons arrachés 4 ATP produits (2 pour chaque PGAL produit) Le PGAL est transformé en pyruvate (C 3 )

Pyruvate déshydrogénase (PDH) Glucose glycogène aminoacides lactate autres PDH déphosphorylée (active) ATP ADP Acides gras PDH phosphorylée (inactive) Pi

Métabolisme cardiaque des acides gras 1) La production d énergie

myofibrille mitochondrie goutte lipidique

Uptake des acides gras par le cardiomyocyte Espace extracellulaire Alb Acide gras Alb Alb Membrane L uptake cardiaque des acides gras dépends de la composition Recdu sérum plus FAT/CD36 que de la régulation intracellulaire ACS ACS fabp fabp mb Espace intracellulaire CoA Acyl-Coa fabpc

Transport des acides gras dans la mitochondrie Le cycle de la carnitine

β-oxydation Acétyl-CoA Acyl-CoA C(n-2) Acyl-CoA C(n) Ketoacyl thiolase Acyl dehydrogenase céto acyl-coa C(n) Cycle de la β-oxydation Dehydro acyl-coa C(n) 3-OH-Acyl dehydrogenase Enoyl Hydratase Hydroxy acyl-coa C(n)

Métabolisme énergétique : L étape commune du cycle de Krebs à la synthèse d ATP

Cycle de Krebs Sir Hans Krebs (1900-1981) Prix Nobel 1953 pour la découverte dans les années 30 du cycle qui porte son nom. Série de réactions qui démantèlent l acétyl CoA Les électrons et les atomes d hydrogène sont envoyés à la chaîne respiratoire. Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice des mitochondries.

Finalité du cycle de Krebs acétyl CoA citrate H 2 O NADH oxaloacétate cis-aconitate H 2 O H 2 O malate Finalité : Produire des «équivalents réduits» isocitrate CO 2 + fumarate α-cétoglutarate NADH FADH 2 ATP succinate succinyl CoA + CoA ADP CO 2 + CoA NADH

La chaîne respiratoire Flux d e - Cytochrome c Espace intermembranaire Coenzyme Q Matrice NADH+H + O 2 des complexes enzymatiques (associations de nombreuses protéines) 2 transporteurs d électrons (mobiles) Coenzyme Q (= Ubiquinone) Cytochrome c

La chaîne de transport d'électrons : le principe Accepteur final d e - NADH & FADH 2 cèdent des électrons riches en énergie à un transporteur de la membrane interne de la mitochondrie. Les électrons passent d'un transporteur à l'autre. À chaque transfert, ils perdent de l'énergie. L'oxygène accepte les électrons à la fin de la chaîne et se combine aux 2 H + pour former de l'eau.

Formation d'un gradient électrochimique L'énergie des électrons sert à "pomper" et accumumer des ions H+ dans l'espace inter-membranaire de la mitochondrie. Gradient électrique : un côté de la membrane devient positif (accumulation d'ions +) et l'autre, négatif (déficit en ions +). Gradient de concentration : l'espace inter-membranaire devient plus concentré en ions H + (plus acide).

La force protomotrice et la production d ATP Les ions H + sont attirés par le gradient vers la matrice et passent par l ATP synthétase.

Bilan de production de l ATP pour le glucose glucose glycogène 2 lactates glycolyse ATP 2 pyruvates 2 NADH 2 ATP O 2 oxydation du glucose cycle de Krebs ATP 4 ATP 2 ATP 8 NADH 24 ATP 2 FADH 2 4 ATP 1 glucose + 6 O 2 36 ATP + 6 CO 2

Régulation de l utilisation concurrentielle des substrats

En moyenne sur 24h, le cœur produit son énergie 60 % à partir des acides gras 30 % à partir du glucose 10 % à partir des autres substrats

Apport glucidique O2 Consommation λ AG GLU AcylCoA CPT1 Carn AcylCoA O 2 ATP ADP Krebs Acétyl CoA PDH Insuline Pyruvate + Glucose

A jeûn ou Apport lipidique O2 Consommation AG AcylCoA CPT1 Carn AcylCoA O 2 ATP ADP Krebs PDH Acétyl CoA + Pyruvate Citrate Glucose

ACC Malonyl CoA AcylCoA Acétyl CoA MDC CPT1 Carn CAT AcylCoA O 2 ATP ADP Krebs Acétyl CoA O2 Consommation Pyruvate PDH GLU AG Glucose

Glucose Acides gras Conditions physiologiques H + Glycolyse PDH Glucose oxydation β- oxydation ATP

Glucose Acides gras Ischémie H + H + H + H + Glycolyse β- oxydation Glucose oxydation ATP

Découplage métabolique et surcharge calcique espace extra-cellulaire H + Na + Ca 2+ Na + /H + Na + /Ca 2+ H + H + H + H + H + Na + H + Na + Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ Ca 2+ espace intra-cellulaire Circ Res, 1989 ; 65 : 1045-1056

Glucose Acides gras Diabète Glycolyse β- oxydation Glucose oxydation ATP

Le métabolisme cardiaque dépends du cycle alimentaire Régulation métabolique par le glycérol

Effet du glycérol sur l oxydation des substrats 3,0 Glycérol palmitate 0,5 NS * P<0.001 0,4 * 2,0 1,0 0,04 nmoles palmitate /mg prot 0,3 0,2 0,1 0,0 82 165 330 660 Glycerol (µm) 0,0 0 82 165 330 660 Glycerol (µm) Gambert et al 2007, 2008

Effet du glycérol sur l oxydation des substrats 300 ** 60 Malonyl-CoA (nm) 200 100 ** CPT-1 activity 40 20 0 0 82 660 Glycerol (µm) 0 0 82 660 Glycerol (µm) Mal CoA Oxf Gambert et al 2007, 2008

Utilisation cardiaque du glycérol µmoles/heart/min Uptake 0,8 0,6 0,4 0,2 * *** *** µmoles/heart/30 min Oxydation 20 18 4 2 * *** *** 0,0 0,33 3,33 Glycérol (mm) 0 0,33 3,33 Glycérol (mm) 350 bpm 450 bpm µmoles/heart/min Synthèse des PL 2 1 0 *** *** ns 0,33 3,33 Glycérol (mm) (Gambert et al, 2007)

ACC Malonyl CoA AcylCoA Acétyl CoA MDC CPT1 Carn O 2 ATP CAT AcylCoA ADP Krebs Acétyl CoA PDH Pyruvate Glycérol Glucose

Métabolisme cardiaque des acides gras 2) L homéostasie des membranes

FA ACLAT Acyl-CoA pool PA PLase CoA P-Glycerol

Glycérol 2 TR TR (1) : glycérol-3-déshydrogénase (2) : glycérol kinase (3) : acyltransférase Cyt Glucose Fructose 1-6 dip 4 sn-glycérol -3- phosphate 1 DHAP 5 GA3P 3 Mito Pyruvate AP (4) : Aldolase (5) : TP isomerase

Glycérol O 2 H 2 O 3 1 sn-glycérol -3- phosphate Glucose Dihydroxyacétone phosphate 4 Acyl-CoA CoA 2 NAD + NADH + H + Lyso-phosphatidate 5 Acyl-CoA CoA (1) et (2) : glycérol -3-déshydrogénase (3) : glycérol kinase (4) : glycérol-phosphate acyltransférase (5) : monoacylglycérol-phosphate (lyso-phosphatidate) acyltransférase AP Synthèse cardiaque d acide phosphatidique

Synthèse cardiaque de phosphatidyl inositol Glycérol (1) : CTP: AP cytidylyltransférase (2) : PI synthase AP 1 CDP-DAG 2 CTP PPi Inositol CMP Phosphatidylinositol

α-ag R PLC PI3K PI synthase DAG IP 3 Inositol IP 1 IP 2 Insuline Akt adren. CDP-DAG Cycle cardiaque des PI

AP Glycérol Glycérol-3-phosphate PPi 1 CDP-DAG CTP CMP Phosphatidylglycérol-phosphate 2 Pi 3 Phosphatidylglycérol (1) : CTP:AP cytidylyltransférase (2) : ph-glycérol-phosphate synthase (3) : ph-glycérol phosphatase (4) : CL synthase CDP-DAG CMP 4 Synthèse cardiaque de cardiolipide cardiolipide

Choline ATP 2 PPi DAG Synthèse cardiaque de phosphatidyl choline AP Glycérol Phosphocholine CTP 3 PPi CDP-choline Pi 1 CMP 4 Phosphatidylcholine 5 Phosphatidyléthanolamine 3 adohcy 3adomet

PI Glycérol P CDP PI synthase P Inositol CDP-DG Inositol CDP PC Glycerol Kinase Cytidylyl Transferase «Voie de Kennedy» P Choline CDP PA DG CDP P Acyl CoA Transferase P PA phosphatase P DAG-CDP Ph-Choline Transferase Choline Choline Kinase P Choline CDP Cytidylyl Transferase P CDP Choline

«Voie de Lands» LysoPLase P + Choline -CoA -CoA -CoA P Choline P Choline PLase A2 PLase A1 LysoPC ACLAT P Choline PC -CoA P Choline LysoPLase -CoA + -CoA P Choline

AGPI ω3 et coeur

AGPI des membranes cardiaques 30 25 20 Sunflower oil Sf + EPA Sf + DHA % 15 10 5 0 LA AA EPA DPA DHA

18:1 n-9 Δ 12 DS LA 18:2 n-6 Δ 15 DS AGPI 18:3 n-3 ALA plantes Δ 6 DS 18:3 n-6 e 18:4 n-3 e animaux 20:3 n-6 20:4 n-3 Δ 5 DS AA 20:4 n-6 20:5 n-3 EPA e e 24:4 n-6 22:4 n-6 22:5 n-3 24:5 n-3 Δ 6 DS Δ 4 desaturation Δ 6 DS 24:5 n-3 22:5 n-6 22:6 n-3 24:6 n-3 DHA

Bioconversion de l ALA en métabolites supérieurs chez l homme 18:3 ω3 ALA β-oxydation (33%) β-oxydation (22%) LC ω6 requirement Très bas EPA DPA DHA 0.2% +/- + EPA 0.13% DPA 0.05% DHA EPA DPA DHA Oestrogen regulation bas Besoins en DHA (cœur, cerveau, rétine, rein) non couverts (Burdge & Calder, 2005, 2006)

Fréquence cardiaque et consommation de poisson variables includes < 1 1 2 > 2 p Age, center 70.0±0.2 69.0±0.2 67.9±0.2 67.6±0.4 <0.0001 Age, center education, activity, smoking, alcohol 69.3±0.2 68.6±0.2 67.6±0.3 67.4±0.5 <0.0001 All variables with antiarrhythmics All variables without antiarrhythmics 68.4±0.3 67.6±0.3 66.7±0.3 66.5±0.5 <0.0001 69.3±0.2 68.5±0.2 67.3±0.2 67.1±0.4 <0.0001 Dallongeville et al, 2003

Pression artérielle et fréquence cardiaque chez des hommes en surpoids modéré Effect of EPA Effect of DHA 24h-SyBP 24h-DiBP 24h-heart rate -2.5-5.8-1.3-3.3 + 2.0-3.5 * * * Mori et al, 1999

Un rôle spécifique pour le DHA Outcome (%) Incidence of major coronary events Statin alone (n=9319) Statin plus EPA (n=9326) Significant (95% CI) Major coronary events 3.5 2.8 yes Sudden cardiac death 0.2 0.2 no Fatal MI 0.2 0.1 yes Nonfatal MI 0.9 0.7 yes Unstable angina 2.1 1.6 yes CABG or PTCA 2.4 2.1 yes The JELIS Study Yokoyama M. et al. AHA Nov 2005

Influence des AGPI n-3 sur la consommation cardiaque d oxygène Pepe, S. et al. Circulation 2002 Pepe, S. et al. J. Nutr. 2007

AGPI ω3 et consommation cardiaque d oxygène MVO 2 (μ mol.min -1.g -1 ) 60 40 20 0 Consommation d O2 p < 0.001 OO FO DHA Energy Efficiency Index 75 50 25 0 Index d efficacité énergétique p < 0.01 OO FO DHA Pepe and McLennan, 2000

+ + Hypothèse : Effet du DHA via le cardiolipide Diabète Ischémie respiration glycérol CTP S FA CL CL CL + PPAR? DHA

Conséquences fonctionnelles de l activation de la synthèse des CL dans le diabète Le diabète diminue la VO 2 & l activité mi-ck DHA limite la diminution de VO 2 DHA augmente l activité mi-ck Synthese de cardiolipide * Ctrl Diabetes DHA Le prétraitement par le DHA prévient la perte de capacité de la synthèse de CL dans le cœur diabétique (ID) (Ovide-Bordeaux et al, 2004)