Métabolisme énergétique — Transport du D-Glucose—Voie énergétique de la Glycolyse

Insuline

Régulateur de l’homéostasie du glucose

→ Lipogenèse

→Glycogénogenèse

Organes qui utilise le glucose pour la synthèse d’ATP

→ Le cerveau

→ Les reins

→ Les muscles

Organes qui stocke le glucose et sous quelle forme

→ Le foie sous forme de glycogène

→ Les tissus adipeux sous forme de triglycérides

→ Les muscles sous forme de glycogène

Qu’est-ce que la glycolyse ?

Voie d’oxydation du D-glucose

Que sont NAD, NADH, FAD et FADH ?

Des équivalents réducteurs

À quoi correspond la phosphorylation oxydative ?

À la chaîne respiratoire

Que représente le dioxygène dans la glycolyse ?

C’est l’accepteur final des électrons

D-Glucose

→ Principal carburant des cellules mammifères (chimiotrophe)

→ Son oxydation totale en CO₂, en conditions aérobie, produits des équivalents réducteurs R+2H⁺+2e^-→RH₂

→ Ces RH₂ sont réoxydés grâce à l’oxygène moléculaire O₂ : c’est la respiration aérobie

Phosphorylation du D-Glucose

→ 1ère réaction de la Glycolyse

→Irréversible

→ Phase préparatoire

→ 1ATP consommé

L’accepteur final des électrons peut être …

→ Accepteur minéral : respiration

• Respiration aérobie

• Respiration anaérobie

→ Accepteur organique: fermentation

• Fermentation lactique dans le tissu musculaire chez l’Homme

Combien d’ATP sont synthétisés lors de l’oxydation totale du D-Glucose ?

38 ATP par Glucose 

Quel quantité d’énergie produite par molécule de glucose oxydée ?

-2871 KJ/mol par mole de glucose

Que signifie la présence d’un liaison -OH dans une molécule ?

Que cette molécule présente un caractère hydrosolubles qui l’empêche de traverser seul les membranes

Le cerveau

→ Au repos consomme 60% du D-Glc

→ Oxydation du Glucose

→ Pas d’oxydation des acides gras

→ Capable de consommer des corps cétonique synthétisé par le foie

Erythrocytes

→ Cellules dépourvues de mitochondries : pas de chaîne respiratoire 

→ Les hématies utilisent le D-Glc en anaérobiose = fermentation lactique

Voie de la glycolyse

→ Voie catabolique d’oxydation du glucose en 2 phases (10 réactions pour 3 étapes)

→ Ubiquitaire (qui est partout)

→ Ne requiert pas immédiatement d’O₂

→ Cytosolique (existe chez les procaryotes et eucaryotes)

→ Voie énergétique

• Produit ATP directement (2ATP) par glucose

• Produit 2 molécule de Pyruvate

• Produit des équivalents réducteurs RH₂  → leur réoxydation récupère ATP

→ Métabolisation du pyruvate varie selon les cellules

Voies métaboliques du glucose

→ Voies cataboliques = dégradation

→ Voies anaboliques= synthèse

Voies catabolique du Glucose 

→ Glycogénolyse (foie + muscles striés)

→ Sources alimentaires (digestion disaccharides et polysaccharides)

→ Voies d’oxydation (glycolyse)

Voies anaboliques du glucose

→ Néoglucogenèse = synthèse de glucose à partir d’éléments non glucidiques (Foie en période de jeûne)

→ Glycogénogenèse (Foie, muscles striés)

→ Voie des pentose phosphate

Conséquence de l’hydrosolubilité du D-Glucose

Pas de diffusion libre à travers la bicouche lipidique

Comment est donc transporter le glucose dans la cellule ?

Grâce à de transporteurs appartenant au SLC (Solute Carrier) 

Quels sont les classes de SLC dans le génome humain ?

→ SLC2 ou GLUTs  (Glucose Transporters ) qui assurent un transport facilité (passif, ne consomme pas d’ATP)

→ SLC5 ou SGLT (Sodium-driven GLucose coTransporter) qui assurent un Co-transport Actif secondaire : 1 glucose doit renter avec 2Na⁺ 

• Pôle apical de l’IG SGLT₁ 

• Cellules du Tubule proximal du rein SGLT₂ 

→ SLC50 ou SWEET

Que signifie le Km ?

Que la moitié des sites catalytiques sont occupés

Relation de Michealis et Menten

Vi = [D-Glc] x V_max / K_m + [D-Glc]

où [D-Glc] est le soluté

De quoi sont spécifiques les transporteurs GLUTs ?

De l’isomère D-Glc

Quels sont les inhibiteurs du transport du D-Glucose ?

La cytochalasin B qui est un métabolite fungique et un puissant inhibiteur (analogue structural)

Isoforme définition

Protéine appartenant à une famille dont les représentants possèdent une structure très proche, due à une légère variation de la séquence de leurs acides aminés, et ont, de ce fait, des fonctions voisines.

Quels sont les isoforme GLUTs ?

→ GLUT1

→ GLUT2

→ GLUT4

GLUT1

• Sites majeurs d’expression: distribution ubiquitaire dans les tissus  

• Fonction: transport basal à travers les barrières de tissus sanguin

GLUT2

• Sites majeurs d’expression : foie, rein, IG, îlots de Langherans

• Fonction: Grande capacité de transprot basse affinité

GLUT4

• Sites majeurs d’expression : muscles, adipocytes, coeur

• Fonction: Régule le transport de l’insuline dans le muscle et les adipocytes qui sont des tissus insulino-dépendant

SGLT1

• Sites majeurs d’expression : rein, coté apical de gros intestin

• Fonction: réabsorption glucose dans le côlon et les reins 

Pourquoi utilisé du 3-O-methyl-D-glucose ?

→ Dans un contexte cellulaire donc le glucose sera consommer par l’hexokinase et ne pourra donc pas être suivi → Montre l’insulino-dépendance de ce tissu

Que se passe t-il au niveau des GLUT4 des adipocytes en absence d’insuline ?

Peu de glucose est transporté dans les adipocytes

Quand est-ce que la translocation de GLUT4 est-elle accrue ?

En présence d’insuline dans les tissus insulino-dépendant 

Comment étudié le transport du glucose et les effets de l’insuline sur les tissu adipeux ?

En observant l’action de l’insuline sur les sites de liaison de la cytochalasin B sur les transporteurs GLUT en fonction du temps dans le réseau endosomale et dans la membrane plasmique

Que se passe t-il à l’état basal (sans insuline) du marquage au GFP des adipocytes ?

Localisation à 90% GLUT4 sur le réseau endosomale contre 10% sur la membrane plasmique

Que se passe t-il  sous décharge insulinique  du marquage au GFP des adipocytes ?

Modification de la répartition :40% GLUT4 sur le réseau endosomal contre 60% sur la membrane plasmique → translocation de GLUT4 sur la membrane plasmique 

Comment peut-on expliquer cette translocation ?

Réponse à l’insuline des tissus adipeux

Que se passe dans cette étude du transport du glucose et des effets de l’insuline sur les tissus adipeux ?

Les transporteur passent du réseau endosomale à la membrane plasmique

Que se passe t-il pou rle glucose en période post-prandiale ?

Entrée accrue de D-Glc pour la glycogenèse musculaire en période post-prandiale

Le muscle

1. Insulino-dépendant

2. Régule l’homéostasie du D-Glc dans le sang en période post-prandiale 

Pl3K

→ Phosphatidyl inositide 3-kinase

PKB

Protein Kinase B= protein akt

AMPK

AMP-activated protein kinase

Quelles sont les voies menant à la translocation de GLUT4 ?

→ Réponse à l’insuline

→ Réponse à la contraction musculaire

Translocation de GLUT4 en réponse à l’insuline

→ Détection par les cellules β des îlots de Langherans

→ Autophosphorylation du récepteur sensoriel à l’insuline

→ Cascade de phosphorylation (phosphorelay)

→ Ces phosphorylations inhibent AS160 qui inhibant elle-même Rabs va l’activer

→ L’activation de Ras déclenche la translocation de GLUT4

Translocation de GLUT4 en réponse à la contraction musculaire

→ Contraction musculaire

→ Diminution de la charge énergétique

→ Activation AMPK

→Phosphorylation AMPK qui inhibe AS160 qui inhibant elle-même Rabs va l’activer

→ L’activation de Rabs déclenche la translocation de GLUT4

Pourquoi en cas d’obésité /diabète de type II il y n’y a pas de translocation de GLUT4 ?

→ La production de molécules inflammatoires inhibent les phosphorylations qui va activer indirectement AS160 ce qui e déclenchera l’activation de Rabs et la translocation de GLUT4

Comment est déclenché la translocation de GLUT4 dans  le cas d’une réponse à l’insuline?

→ Arrivée d’insuline

→ Autophosphorylation du récepteur d’insuline

→ cascade de phosphorylation

→ Phosphorylation de AS160

→ Activation de Rab 

→ Association de Rab à une vésicule de stockage GLUT4

→ Migration de la vésicule vers la membrane où elle s’associe à un polymère

Que peut-on dire du rôle des adipocytes et des muscles ?

Ils jouent un rôle dans l’homéostasie du glucose

Insulino-résistance

Moins bonne sensibilité des tissus insulino-dépendants (adipocytes et myocytes)

Que se passe t-il après entrée du glucose dans l’organisme voie 1 ?

→ Sécrétion de Gluco-incrétines (hormones intestinales ) GLP-A et GIP sécrété par l’iléon et le côlon

→ Détection par les cellules β du pancréas

→ Sécrétion d’insuline

→ Inhibe la glycogénolyse pancréatique

→ Stimule la glycogénogenèse musculaire et la lipogenèse

Que se passe t-il après entrée du glucose dans l’organisme voie 2 ?

→ Ingestion glucose

→ Entre dans le flux sanguin par la veine mésentérique

→ Sécrétion d’insuline 

→ Inhibe la glycogénolyse pancréatique

→ Stimule la glycogénogenèse musculaire et la lipogenèse

Quel type de transport utilise le glucose en utilisant GLUT ?

Transport passif (utilise énergie indirectement) facilitée

Quel type de transport utilise le glucose en utilisant SGLT2 au niveau du tube proximal rénal  ?

Transport actif (utilise directement de l’énergie) secondaire

Bilan énergétique de cellules normales ? DEs cellules tumorales ? Conclusion ?

→ Cellules normales : 38 ATP par glucose

→ Cellules tumorales : 2 ATP par glucose → Surconsommation de glucose

→ Conclusion : les GLUTs sont alors des cibles thérapeutiques

∆rG°'

→ variation d’énergie libre dans des conditions standard biochimiques

→ à pH7, valeur constante pour la réaction donnée

→ référence, permet de comparer les réactions

∆rG^’

→ Conditions réelles (dans la cellule)

→ Si  ∆rG’<0 = réaction favorable ; si ∆rG’>0 = réaction non favorable 

→ ∆rG′ = ∆rG°′ + RTlnQ′

∆rG°' de la première réaction de la glycolyse

-30,5 kJ/mol

Phase préparatoire de la glycolyse étapes

• D-Glucose en Glucose-6-Phosphate par une Hexokinase  avec consommation d’1 ATP (Mg-ATP^2- → Mg-ATP^-)

• Glucose-6-Phosphate en Fructose-6-Phosphate par la Phosphohexo-isomerase avec l’utilisation de Mg²⁺ comme co-facteur

• Fructose-6-Phosphate en Fructose-1,6-BisPhosphate (FBP) par la Phospho-Fructo  kinase 1 (PFK₁) avec consommation d’1 ATP (Mg-ATP^2- → Mg-ATP^-)

Phase préparatoire de la glycolyse

→ Réaction irréversible

→ ATP donneur de Phosphate et d’énergie

→ Enzyme = PFK₁, enzyme allostérique point de régulation

• activateur allostérique: ADP, AMP,F26BP

• inhibiteur allostérique 

Enzymes allostériques

Protéines qui modifie leur conformation lors de la liaison à un effecteur

Combien d’ATP ont été consommés par glucose au cours de la phase préparatoire de la glycolyse?

2ATP/glucose

Hexokinase 1

Ubiquitaire

Hexokinase iV = glucokinase dans le foie

→ Cellule β, foie

→ Spécifique D-Glc

NAD⁺

→ Nicotinamide Adenine Dinucléotide

→ Forme vitaminique

• Acide nicotinique = Niacine

• → Vitamine B3

Cellules β centrales

→ 65-80%

→ Sécrétion d’insuline dans le flux sanguin par la veine mésentérique 

Cellules α périphériques

→ 15-20%

→ Sécrétion de glucagon dans le flux sanguin par la veine mésentérique 

Durée de vie insuline

→ Quelques minutes (durée de vie plasmatique: 4-6 minutes) dû à la rupture des ponts disulfures

Quelles enzymes de la glycolyse subissent une régulation très fine ?

→ Hexokinase 

→ PKF₁

→ Pyruvate kinase 

Régulation de la phosphorylation du glucose dans les hépatocytes

→ Hexokinase dans la glycolyse: régulation inhibition allostérique par la Glc-6-(P)

→ Glucokinase dans la glycogénogenèse : pas de régulation allostérique

→ Glc-6-Phosphatase dans la néoglucogenèse: régulation activation allostérique par Glc-(P)

Régulation de la phosphorylation du glucose dans les adipocytes 

→ Hexokinase dans la glycolyse : régulation inhibition allostérique par G6P

Activité des glucokinase et des hexokinase dans la phosphorylation du D-Glc dans le foie 

→ L’hexokinase, ayant une plus forte affinité pour le D-Glc dans le foie, assure majoritairement la phosphorylation en Glc-6-(P)

→ En période post-prandiale, le glucokinase, de plus faible affinité masi avec une grande Vmax, va être sollicitée

La régulation de la glucokinase

(voir diapo)

Second point de régulation de la glycolyse

Régulation de phosphorylation du F6P (réaction 3 de la glycolyse) = régulation de la PFK1

→ Foie:

• Sécrétion pancréatique : glucagon/insuline

• Catécholamines: sécrétion médullosurrénale

• Taux de citrate, F26PB, charge ATP

→ Muscles:

• Sécrétion pancréatique (insuline)

• Sécrétion médullosurrénale (catécholamines)

• Taux de Citrate, charge ATP

→ Érythrocytes:  

• Taux [AMP]_faible activateur

Comment est régulé la phosphorylation de PFK1 ? Pourquoi ?

→ PFK1 régulé par le F2,6BP car c’est un activateur allostérique → pour une même concentration il se sature plus vite

→L’ATP à forte concentration inhibe la PFK1

F2,BP

Activateur de la PFK1 et inhibiteur de la frcutose-1,6 biphosphatase, joue un rôle pivot dans la régulation de l’équilibre entre la glycolyse et la néoglucogenèse hépatique

Cycle futile

Consommation d’1 ATP sans qu’il soit refourni par la suite

Quelles sont les points de régulation de l’étape préparatoire de la glycolyse ?

La première et la dernière étape 

Devenir du Fructose-6-Phosphate

Voie 1:

→ Consommation d’1 ATP et action de la PFK1 pour la formation de Fructose-1,6-biphosphate transformer ensuite en lactate

→ Ce Fructose-1,6-biphosphate repassera sous forme de Fructose-6-phosphate sous l’action de la FBPase-1 qui est hydrolysé (enzyme de la néoglucogenèse hépatique uniquement)

Voie 2:

→ Consommation d’1 ATP et action de la PFK2 pour le passage à la forme Fructose-2,6-biphosphate qui inhibe la FBPase-1 et active la PFK1

→ Ce Fructose-1,6-biphosphate repassera sous forme de Fructose-6-phosphate sous l’action de la FBPase-1 qui est hydrolysé

Quel est la seconde activité portée par la PFK2 ?

L’activité de Fructose-bis-phophatase

Que se passe t-il si entrée de glucagon ?

→ Augmentation des récepteur AMPc

→ Activation des kinases

→ Action de la FBPase-1  et hydrolyse qui libère un groupement phosphate pour la formation de F6P et la libération de glucose 

Que représente l’ATP pour la PFK1 ?

C’est son substrat

Quels sont les 3 points de régulation de la glycolyse ?

→ Régulation de la phosphorylation du glucose

→ Régulation de la phosphorylation du F6P

→ Régulation de la formation du pyruvate

3ème point de régulation de la glycolyse 

Régulation de la formation du pyruvate = régulation de la Pyruvate Kinase (PK)

→ Foie

• Sécrétion pancréatique : glucagon/insuline

• Régulation allostérique F1,6BP et PEP (phosphoenol pyruvate) activateur

• ATP Alanine inhibiteurs

→ Muscle:

• Régulation allostérique par charge énergétique

→ Érythrocytes

• Régulation allostérique par le 2,3DPG (intermédiaire de la glycolyse, même concentration que l’Hb, effecteur allostérique inhibiteur fixation O₂ sur Hb)

Que provoque un déficit en PK érythrocytaire ? 

→ Une anémie hémolytique congénitale non sphérocytaire 

→ Anémie chronique sévère

Pyruvate Kinase

→ Enzyme clé de la voie de la glycolyse

→ phosphoryle la réaction : PEP + ADP → pyruvate + ATP (activation)

et la réaction de passage de F1-6BP→ F6P (inhibition) et F6P → F1-6BP (activation)

Quel type liaison relie le PEP et la PK ?

Liaison coopérative

Pourquoi ce sont des enzymes coopératives qui sont utilisés dans la régulation du glucose ?

Parce qu’elle sont bien adaptée 

Régulation hormonale de la PK dans le foie (diapo 56)

Décharge glucagonique conduit dans les tissus cibles hépatiques à freiner la glycolyse par modification covalente du glucagon (phosphorelay)

Bilan de la glycolyse (cytosol)

→ Phase préparatoire : 2ATP consommés /glucose

→ Phase de remboursement: 4ATP synthétisés/glucose, 2 NADH,H⁺ synthétisés (vont être réoxydés)

→ Bilan : 2ATP synthétisés /glucose par phosphorylation liée au substrat

Quel est le point commun entre le 1,3DPG et le PEP ?

Ce sont des molécules à haut potentiel énergétique

Qu’implique le maintien du flux métabolique glycolytique implique ?

→ Un apport en substrat: D-Glc

→ Des enzymes fonctionnelles

→ Des coenzymes à l’état oxydé NAD⁺