Le glycogène
Le glycogène désigne un glucane constituant la substance de réserve des animaux et des eumycètes. Cet amidon animal du foie est un oligosaccharide ou un polysaccharide ramifié, composé de monomères de glucose. Le glycogène sert d'hydrate de carbone stocké dans les cellules (en particulier le foie) du stockage et de la fourniture à court et à moyen terme du glucose porteur d'énergie dans l'animal, ainsi que dans l'organisme humain.
Structure du glycogène avec la glycogénine centrale :
Cette vue en coupe bidimensionnelle du glycogène montre (au centre) une protéine de la glycogénine qui est entourée de branches d'unités de glucose. L'ensemble du complexe globulaire peut contenir environ 30 000 unités de glucose. Les chaînes de type B, formant la moitié des branches, ont deux branches et toutes les chaînes ont la même longueur.
Généralités
Les champignons et certaines bactéries utilisent également cette forme de stockage d'énergie, tandis que les plantes utilisent l'amidon comme réservoir de glucides.
Le processus de construction du glycogène à partir du glucose est appelé synthèse du glycogène (glycogenèse), processus inverse de la décomposition du glycogène sous forme de glycogénolyse.
Le glycogène est un hydrate de carbone de réserve à base de glucose. Il est un polyholoside ramifié de D-glucoses reliés par des liaisons α-(1,4). Les ramifications sont reliées à l'axe par une liaison α-(1,6). C'est une forme de réserve de glucose chez les animaux et les champignons.
En particulier dans les cellules hépatiques et musculaires, le glycogène est constitué d'une quantité excessive de glucides jusqu'à ce que sa fraction massique dans le foie atteigne 20 %. À mesure que la demande en énergie augmente, les cellules musculaires utilisent leur glycogène stocké. Si nécessaire, le glycogène stocké dans le foie et les reins est également décomposé en glucose, auquel cas le glucose est mis à la disposition de l'organisme entier par le sang.
Le glycogène est stocké dans les vacuoles du cytoplasme des cellules qui l'utilisent pour la glycolyse. Ces vacuoles contiennent les enzymes nécessaires à l'hydrolyse du glycogène en glucose.
Structure
Le glycogène consiste en une protéine centrale (glycogénine), à laquelle jusqu'à 50 000 unités de glucose sont généralement liées en α-1,4-glycosidique. Tous les blocs de construction glucose/monosaccharide 8 à 12 ont lieu à côté de la liaison α-1,4-glycosidique, une autre liaison α-1,6-glycosidique, grâce à quoi la molécule est en forme d'arbre ramifié. Si nécessaire, le glycogène peut être dégradé en glucose sur de nombreux sites différents dans une molécule.
L'amylopectine, un composant de l'amidon végétal, a la même structure que le glycogène, mais a un degré de ramification plus faible, car seule la 25ème molécule de glucose environ possède une liaison 1,6-glycosidique. La masse molaire du glycogène est d'environ 106 à 107 daltons.
Dans le métabolisme humain
L'amidon absorbé par voie nutritionnelle est clivé par l'enzyme alpha-amylase (plus précisément la ptyaline) dans la bouche et le duodénum en deux disaccharides maltose et isomaltose, qui sont à leur tour transformés en glucose par d'autres enzymes.
Les muscles utilisent exclusivement leurs propres réserves de glycogène. Le foie et les reins servent également de réserves de glycogène, ce qui les rend disponibles principalement pour les autres cellules. Ceci est particulièrement important dans le sommeil en tant que source d'énergie pour les cellules de la médullosurrénale et des érythrocytes, car ces cellules dépendent du glucose en tant que source d'énergie.
Entre autres choses, le taux de sucre dans le sang est régulé par diverses hormones, par digestion et dégradation du glycogène : l'adrénaline et le glucagon stimulent la dégradation du glycogène, l'insuline favorise la production de glycogène. L'insuline et le glucagon se forment dans certaines parties du pancréas. La teneur en glycogène du foie varie en fonction de l'état nutritionnel du corps humain. Quand on meurt de faim, il représente moins de 1 % du poids du foie.
Avec un bon état nutritionnel et une alimentation riche en glucides, il peut grossir jusqu'à 20 % du poids du foie. Calculée par gramme de tissu, la capacité en glycogène des reins est supérieure à celle du foie. Puisque le foie est l'organe beaucoup plus grand, la capacité absolue du foie est plus élevée.
Synthèse du glycogène
Pour la synthèse d'une molécule de glycogène, une protéine dite noyau est nécessaire dans chaque cas. Cette molécule appelée glycogénine constitue le centre de chaque molécule de glycogène. Elle contient elle-même certaines molécules de glucose lié de manière α-1,4-glucosidique, qui sont nécessaires comme amorce pour la glycogène synthase - cette enzyme glisse comme un curseur d'une fermeture à glissière sur la chaîne de molécules de glucose existante et ne peut même pas définir un point de départ.,
Le glucose se trouve à peine dans les cellules du corps sous sa forme libre, mais il est phosphorylé au niveau de son atome de 6-C afin qu'il ne diffuse pas à travers la membrane cellulaire et puisse être métabolisé plus facilement.
Pour que le glucose-6-phosphate puisse être cultivé sur du glycogène existant, il doit d'abord être isomérisé par l'enzyme phosphoglucomutase dans le glucose-1-phosphate, puis activé par l'uridine triphosphate - il produit du UDP-glucose et du pyrophosphate libre, qui est utilisé pour entraîner la synthèse. rapidement décomposé en 2 molécules inorganiques (i = inorganiques) de phosphate.
Cette activation est catalysée par l'enzyme UDP-glucose pyrophosphorylase et suit l'équation : Glucose-1-phosphate + UTP → UDP-glucose + PP i puis PPi + H2O → 2 Pi.
Le glucose activé est ensuite ajouté par la glycogène synthase à l'amorce ou à la chaîne glycogène existante à l'extrémité non réductrice : Glycogène (n glucose) + UDP-glucose → glycogène (n+1 glucose) + UDP.
Alors que la glycogène synthase produit une longue chaîne, une autre enzyme est responsable de la ramification : l'enzyme de ramification du 1,4-a-glucane, qui coupe la chaîne toutes les 7 à 12 molécules de glucose et insère la pièce coupée. "Latéralement" (alpha-1,6-glycosidique) en une chaîne d'au moins 11 molécules longues encore.
Dégradation du glycogène
La partie linéaire du glycogène est dégradée par l'enzyme glycogène phosphorylase. Cela dépend du phosphate de pyridoxal. Il catalyse la liaison du phosphate libre à l'atome de glucose en C1. La liaison glycosidique entre les molécules de glucose est scindée et du glucose-1-phosphate se forme. Ceci peut être converti d'une mutase en glucose-6-phosphate. Le glucose-6-phosphate est la forme normale du glucose dans une cellule.
Si du glucose libre devait être produit, l'hexokinase IV, une enzyme jouant également un rôle dans la glycolyse, devrait être préparée à l'aide d'un groupe phosphoryle de l'ATP glucose-6-phosphate. De plus, une augmentation de la concentration de glucose dans la cellule entraîne une diminution du gradient de concentration entre le cytosol et l'espace extracellulaire, de sorte que le transport du glucose dans la cellule est réduit.
La glycogène phosphorylase ne peut dégrader le glycogène que sur la quatrième molécule de glucose située devant un site de ramification. À ce stade, la 4-α-glucanotransférase (une activité enzymatique de l'enzyme de débranchement) entre en jeu : cette enzyme transfère trois des quatre molécules de glucose situées en avant du site de ramification sur une autre chaîne et les ajoute de manière linéaire.
La molécule de glucose restante, liée à l'alpha-1,6-glucosidique, est maintenant séparée de l'autre activité enzymatique de l'enzyme de débranchement, ce qui donne du glucose libre. Lorsque la dégradation du glycogène est ainsi égale à environ 90 % du glucose 1-phosphate, en moyenne, seule une molécule de glucose sur dix se situe à un point de ramification.
En termes de quantité, les muscles ont la plus grande quantité de glycogène. Mais il manque l'enzyme glucose-6-phosphatase, qui peut cliver le résidu de phosphate en C6 du glucose. Le processus se déroule uniquement dans les cellules hépatiques, les cellules rénales et les entérocytes. Ainsi, le foie et les reins peuvent utiliser efficacement leurs réserves de glycogène pour amortir les bas niveaux de sucre dans le sang (par exemple, la nuit).
Régulation hormonale de la formation et de la dégradation du glycogène
La glycogène phosphorylase et la glycogène synthase ont deux formes : a et a b. Les deux formes sont interconvertibles par phosphorylation au moyen d'une kinase ou déphosphorylation au moyen d'une phosphatase. Puisque la forme a dans chaque cas a une activité beaucoup plus élevée que la forme b, de cette manière, la vitesse de la réaction respective peut être adaptée aux exigences du métabolisme.
Dans le cas de la glycogène phosphorylase, le phosphorylé est la forme a. Elle est phosphorylée par une phosphorylase kinase dirigée par une hormone et déphosphorylée une protéine phosphatase également contrôlée par les hormones. Alors que la forme b est adaptée aux besoins locaux de la cellule hépatique par un contrôle allostérique, en particulier par l'adénosine monophosphate (AMP), la forme a est toujours active et délivre rapidement de grandes quantités de glucose pour les tissus périphériques.
La conversion de la forme inactive en forme active par phosphorylation est contrôlée par les hormones. L'activation de la glycogène phosphorylase par la kinase est une réponse typique au stress. La protéine phosphatase, cependant, est activée dans un excès de glucose pour empêcher une libération supplémentaire.
Le principal mécanisme d'activation de la glycogène phosphorylase se fait via une cascade de phosphorylation initiée par l'adénosine monophosphate cyclique du second messager (AMPc). Lie une hormone qui provoque une augmentation de la glycémie, telle que.
Comme glucagon ou épinéphrine, aux récepteurs correspondants de la membrane des hépatocytes, l'activation d'une protéine G trimère, la stimulation de l'enzyme adénylyl cyclase. Ceci forme l'AMPc de l'ATP. Le cAMP active allostériquement une protéine kinase spécifique, la protéine kinase A, qui phosphoryle la phosphorylase kinase mentionnée précédemment, qui phosphoryle ensuite la glycogène phosphorylase et la convertit ainsi de la forme b en forme a.
La conséquence de cette activation en cascade est une augmentation considérable du signal hormonal d'origine (du premier messager nanomolaire) lors d'une réaction métabolique dans la gamme millimolaire. L'AMPc est dégradé par une phosphodiestérase, de sorte que le signal reste temporaire.
Les processus dans le muscle sont analogues, mais l'hormone de famine glucagon typique ne fonctionne pas dans cette région. L'insuline, quant à elle, active la protéine phosphatase (PP1) et la phosphodiestérase (PDE), agissant ainsi de manière antagoniste par rapport aux signaux de stress et de famine. La synthèse du glycogène est régulée dans le sens opposé. Elle est inactivée par la phosphorylation et activé par la déphosphorylation, dans laquelle, dans certains cas, les mêmes kinases et phosphatases sont impliquées dans cette régulation. La forme a est donc la déphosphorylée, la forme b la phosphorylée. Ce dernier n'est actif qu'en présence de fortes concentrations de glucose-6-phosphate, comme dans un large excès de glucose alimentaire dans le foie. En conséquence, la régulation hormonale doit être comprise, l'insuline stimule, l'adrénaline et le glucagon inhibent la glycogène synthase.
Troubles métaboliques
La glycogénose ou des troubles du métabolisme du glycogène sont un ensemble de neuf maladies génétiques, héréditaires pour la plupart, qui affectent la voie de la formation du glycogène et son utilisation.
La maladie la plus commune dans laquelle le glycogène devient anormal dans le métabolisme est le diabète. En raison de quantités anormales d'insuline, le glycogène hépatique peut être accumulé ou épuisé de manière anormale. Le rétablissement du métabolisme normal du glucose normalise généralement le métabolisme du glycogène des manières suivantes.
Par exemple, dans l'hypoglycémie causée par une quantité excessive d'insuline, les niveaux de glycogène dans le foie sont élevés; par conséquent, des niveaux élevés d'insuline empêchent la glycogénolyse nécessaire au maintien d'une glycémie normale. Le glucagon est un traitement courant de ce type d'hypoglycémie.
Un autre exemple concerne les erreurs innées du métabolisme, causées par des déficits en quantité d'enzymes nécessaires à la synthèse du glycogène. Ces types d'erreur sont connues sous le nom de maladies liées au stockage de glycogène.
Sport, exercice d'épuisement et d'endurance
Les athlètes de longue distance, tels que les coureurs de marathon, les skieurs de fond et les cyclistes, souffrent souvent d'épuisement du glycogène, où presque toutes les réserves de glycogène de l'athlète sont épuisées après de longues périodes d'effort, lorsqu'elles ne consomment pas suffisamment d'énergie.
L'épuisement du glycogène peut être traité de trois manières différentes. La première survient pendant l'exercice, au cours duquel les glucides dont le taux de conversion du glucose en sang est le plus élevé (indice glycémique élevé) sont ingérés de manière continue. Le meilleur résultat possible de cette stratégie remplace environ 35 % du glucose consommé à une fréquence cardiaque supérieure à 80 %.
La seconde survient par le biais d'adaptations à l'entraînement en résistance et de régimes spéciaux (par exemple, le jeûne avant l'entraînement en endurance de faible intensité); où le corps peut conditionner les fibres de type I du muscle pour améliorer à la fois l'efficacité de l'utilisation du carburant et la capacité de charge de travail pour augmenter le pourcentage d'acides gras utilisés comme carburant et quantité modérée de glucides de toutes les sources.
Enfin et enfin, la consommation de grandes quantités de glucides après l'épuisement des réserves de glycogène; ceci à la suite de l'exercice ou du régime.
Le corps peut augmenter la capacité de stockage des réserves de glycogène intramusculaire. Ce processus est appelé "charge en glucides". En général, l'indice glycémique de la source de glucides n'a pas d'importance, car la sensibilité à l'insuline musculaire augmente en raison de l'épuisement temporaire du glycogène.
En cas d'endettement en glycogène, les athlètes ressentent souvent une fatigue extrême, jusqu'à ce qu'ils ne puissent plus bouger leur corps. Par exemple, les meilleurs cyclistes professionnels du monde, généralement à la fin d'une course par étapes de 4 à 5 heures, utilisent les trois premières étapes lorsqu'ils atteignent la limite d'épuisement du glycogène. Ils ingèrent des glucides et de la caféine après un exercice intense, où le glycogène est reconstitué plus rapidement.
Histoire et origine
C'est à Claude Bernard, médecin et physiologiste français, à qui revient la première idée de la fonction glucogénique du foie puis, dans un deuxième temps, de l'isolement du glycogène.
Cette découverte en 1856 a marqué une rupture significative avec les conceptions précédentes sur la nutrition. On pensait que seules les plantes pouvaient produire des sucres, qui étaient ensuite dégradés par des animaux dans un endroit à déterminer, ce que Lavoisier pensait être le poumon. C'est en cherchant ce lieu de dégradation que Bernard a découvert la présence de sucre dans le foie (dans la veine hépatique) et son absence à l'entrée (dans la veine porte).
Chez les animaux nourris exclusivement de viande, la présence de sucre persistait à la sortie du foie. Les méthodes de test qu'il a utilisées ne lui ont pas permis de trouver du sucre en dessous de 0,8–1 g par litre, donc dans la veine porte, ce qui l'a amené à donner une interprétation excessive de ses expériences. On a longtemps cru qu'il avait commis une erreur et que le foie ne stockait que le sucre sous forme de glycogène, avant de découvrir que la gluconéogenèse était en fait le facteur clé de la formation de glycogène dans le foie.
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