Régulation du métabolisme glucidique

a) L’entrée du glucose dans le foie

La capacité à transporter le glucose à travers la membrane plasmique est une caractéristique commune à toutes les cellules, de la simple bactérie aux cellules très spécialisées comme les neurones. L’entrée du glucose dans la cellule est régie par des protéines de transport. Il existe différents types de transport de glucose : la diffusion passive, le transport actif secondaire couplé aux ions sodium par les transporteurs SGLT (sodium-dependent glucose transporters) et la diffusion facilitée réalisée par les transporteurs GLUT (glucose transporters).

Le transporteur SGLT est exprimé à la membrane apicale des entérocytes, dans les reins et le cœur. Il transporte le glucose contre son gradient de concentration contrairement aux transporteurs GLUT. Les transporteurs GLUT équilibrent les concentrations de glucose intracellulaires et extracellulaires en accélérant le passage du glucose dans le sens du gradient. A ce jour, la famille GLUT est constituée de 14 membres dont l’expression diffère entre les espèces, les tissus et les types cellulaires (Olson and Pessin, 1996) (Karim et al., 2012). Quatre transporteurs sont présents au niveau du foie : GLUT-1, 2, 9 et 10 (Nordlie et al., 1999) (McVie- Wylie et al., 2001) (Keembiyehetty et al., 2006).

Cependant, grâce à de très bonnes constantes Vm et Km pour le glucose, seul le transporteur GLUT-2 assure l’entrée et la sortie de glucose dans l’hépatocyte (Leturque et al., 2009).

Figure 8 : Les différentes voies métaboliques du glucose.

En période postprandiale, le foie régule les taux de glucose en le métabolisant. Le glucose est piégé dans l’hépatocyte grâce à sa phosphorylation en G6P par la glucokinase. Le G6P emprunte alors différentes voies : la glycogénogenèse (stockage du glucose sous forme de glycogène), la voie des pentoses phosphates (synthèse du NADPH,H+ _{nécessaire à la}

lipogenèse), la glycolyse couplée à la lipogenèse (stockage du glucose sous formes d’acides gras) et la voie de biosynthèse des hexosamines (synthèse d’UDP-GlcNAc nécessaire, entre autres, à la O-GlcNAcylation des protéines).

Abréviations : Ribose 5P : Ribose-5-phosphate, UDP-GlcNAc : Uridine diphospho-N-acétylglucosamine.

La régulation de l’expression du gène codant GLUT-2 est complexe et dépend des niveaux de glycémie et d’insulinémie (Rencurel et al., 1996).

Le transporteur GLUT-2 est localisé au niveau de la membrane plasmique basolatérale de l’hépatocyte (Thorens et al., 1990). Sa localisation joue un rôle important dans la régulation des flux de glucose et est modulée en fonction des conditions nutritionnelles.

En réponse à l’insuline, deux équipes ont montré que GLUT-2 et le récepteur à l’insuline colocalisent et cointernalisent. Ces observations sont en accord avec le rôle inhibiteur de l’insuline sur la production hépatique de glucose (Eisenberg et al., 2005) (González-Rodriguez et al., 2008).

En effet, après un repas, le foie stocke le glucose sous forme de glycogène ou de lipides. Inversement, la production de glucose endogène est limitée par l’inhibition des enzymes néoglucogéniques. Par conséquent, l’internalisation de GLUT-2 constitue un autre mécanisme empêchant l’entrée de glucose au niveau du foie.

A jeun, la délétion de GLUT-2 n’affecte pas la production de glucose hépatique suggérant que le glucose peut être relargué des hépatocytes par d’autres transporteurs (par exemple GLUT- 1) ou d’autres mécanismes (Seyer et al., 2013).

Suite à son entrée dans la cellule, le glucose est phosphorylé en G6P par la glucokinase. Le G6P étant incapable d’être transporté par les transporteurs à glucose, est piégé dans les hépatocytes.

A l’état nourri, le G6P agit comme un précurseur de la synthèse de glycogène, d’uridine diphosphate N-acétylglucosamine (UDP-GlcNAc) et de pyruvate par la voie de la glycolyse. Le pyruvate est oxydé dans la mitochondrie par le cycle de Krebs pour générer de l’ATP et utilisé pour la biosynthèse d’AG par la lipogenèse. Le G6P est également métabolisé par la voie des pentoses phosphates générant du nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH,H+_),

cofacteur requis pour la lipogenèse et la biosynthèse d’autres molécules (Figure 8).

b) La glycogénogenèse

En période postprandiale, le glucose permet la reconstitution des réserves de glycogène, utilisées au cours de la période de jeûne, par le muscle squelettique et le foie. Le glycogène est un polyoside constitué d’un enchaînement de résidus de glucose liés par des liaisons glycosidiques en α1,4 et des ramifications en α1,6.

Le foie stocke une partie du glucose en glycogène car il peut être reconverti rapidement en glucose pour le maintien de l’homéostasie glucidique.

A l’état nourri, le glucose entre dans l’hépatocyte et emprunte la voie de la glycogénogenèse. La première réaction du métabolisme du glucose est catalysée par la GK et fournit le G6P. Le G6P est converti en G1P par la phosphoglucomutase puis en uridine diphosphate glucose (UDP-Glc) par l’UDP-Glc pyrophosphorylase. L’UDP-Glc est incorporé à la chaîne préexistante de glycogène.

L’enzyme clef de la glycogénogenèse est la glycogène synthase (GS). Elle catalyse le transfert d’unités de glucose en α1,4 aux résidus terminaux non réducteurs du glycogène en utilisant l’UDP-Glc. Les enzymes de branchement transfèrent des chaînes de 6 à 8 unités de glucose en formant des liaisons α1,6.

La GS est régulée de façon post-traductionnelle par phosphorylation/déphosphorylation. A l’état nourri, l’activation de la voie Akt conduit à la phosphorylation et l’inactivation de GSK3. GSK3 ne peut plus phosphoryler la GS qui devient active (Figure 3). En parallèle, la déphosphorylation de la GS par la glycogène synthase phosphatase (GSP) comprenant PP1 en association avec des protéines cibles du glycogène active la biosynthèse de glycogène (Ceulemans et al., 2002) (Ferrer et al., 2003) (Figure 3).

La GS est également activée de manière allostérique par le G6P. Le G6P induit un changement de conformation de la GS la rendant plus accessible à la GSP (Ferrer et al., 2003).

c) La Glycolyse

Les hépatocytes ont une grande flexibilité dans le choix des carburants métaboliques (glucose et/ou acides gras). La sélection de ce carburant est régulée par des signaux nutritifs et hormonaux. La glycolyse prédomine lorsque les concentrations en glucose sont élevées. En plus d’être complètement oxydés pour générer de l’ATP, les intermédiaires et produits glycolytiques sont utilisés pour la synthèse de lipides, d’acides aminés et d’autres biomolécules.

L’oxydation du glucose comporte deux séries d’étapes : l’une cytosolique (la glycolyse) permettant la biosynthèse de deux molécules de pyruvate, l’autre mitochondriale (cycle de Krebs) oxydant totalement le pyruvate en CO2 et H2O.

Figure 9 : Représentation schématique des voies de la glycolyse et des pentoses phosphates.

Suite à son entrée dans la cellule et à sa phosphorylation, le G6P peut emprunter la voie de la glycolyse (bleu) nécessaire pour la production de pyruvate couplée à la lipogenèse (rose) indispensable à la biosynthèse des acides gras ou la voie des pentoses phosphates (vert) nécessaire à la formation de métabolites indispensables pour la synthèse des nucléotides ou des intermédiaires de la glycolyse.

Abréviations : GK : glucokinase, G6P : glucose-6-phosphate, F6P : fructose-6-phosphate, PFK1 : phosphofructokinase 1, F1,6BP : fructose-1,6-Bisphosphate, DHAP : dihydroxyacétone phosphate, G3P : glycéraldéhyde-3-phosphate, 1,3-BisPG : 1,3-Bisphosphoglycérate, 3 PG : 3-phosphoglycérate, 2-

La glycolyse est conservée au cours de l’évolution et, par cette voie, le glucose est une source d’énergie et précurseur de molécules d’intérêt biologique.

La glycolyse est une série de réactions dégradant une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate et deux molécules d’ATP (Figure 9). Parmi les 9 réactions glycolytiques, deux sont limitantes (avec un ∆G<0) et catalysées par des enzymes finement régulées : PFK1 qui convertit le F6P en F1,6BP et la pyruvate kinase (PK) qui convertit le PEP en pyruvate.

De plus, la glucokinase (GK) phosphorylant le glucose en G6P, métabolite commun à plusieurs voies dont la glycolyse, est finement régulée.

1) La glucokinase (GK)

La GK est exprimée dans le foie et les cellules β du pancréas, et fonctionne comme un senseur du glucose de par son Km élevé. Elle catalyse la phosphorylation du glucose en G6P. La présentation et la régulation de la GK sont détaillées dans la deuxième partie du manuscrit.

2) La phosphofructokinase 1 (PFK1)

PFK1 est une enzyme tétramérique catalysant la première étape de l’engagement du glucose dans la glycolyse grâce à une réaction irréversible. Son activité est limitante et critique dans le flux glycolytique (Jenkins et al., 2011).

L’activité de PFK1 est inhibée de manière allostérique par l’ATP et le citrate, reflets de l’abondance énergétique, et activée par l’adénosine monophosphate (AMP) et l’adénosine diphosphate (ADP) (Jenkins et al., 2011).

Le lactate, produit final de la glycolyse, induit la dissociation de l’enzyme. PFK1 passe d’une forme tétramérique à dimérique ce qui réduit son activité et crée une boucle de rétrocontrôle négatif du flux glycolytique (Costa Leite et al., 2007).

Inversement, l’activité de PFK1 est augmentée par le F2,6BP, signal métabolique non glycolytique critique dans la régulation du métabolisme du glucose hépatique. Le F2,6BP régule la dynamique entre la glycolyse et la néoglucogenèse en activant PFK1 et en inhibant F1,6BPase (Rider et al., 2004).

Le F2,6BP est généré à partir du F6P par une enzyme bifonctionnelle contenant un domaine kinase (PFK2) et un domaine phosphatase (F2,6BPase).

L’activité de PFK2 est régulée de manière hormonale. En réponse à l’insuline, PFK2 est déphosphorylée et activée par la protéine phosphatase 2A (PP2A) (Assimacopoulos-Jeannet and Jeanrenaud, 1990). La concentration en F2,6BP augmente accélérant le flux glycolytique (Rider et al., 2004) (Atsumi et al., 2005).

Inversement, au cours du jeûne, le glucagon active la PKA qui phosphoryle et inhibe l’enzyme PFK2/FBP2 diminuant la concentration de F2,6BP et la glycolyse.